Методы повышения экономичности цилиндров низкого давления паровых турбин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рост мощности турбоагрегатов связан с необходимостью пропуска через проточную часть больших объемов рабочего тела высоких параметров, что в условиях недостаточной эффективности цилиндров низкого давления (ЦНД), оборудованных преимущественно ступенями большой веерности, вызывает значительные потери энергии, а потому требуется аэродинамическое совершенствование последних, например путем оптимизации форм внешних обводов со свойственными им высокими степенями расширения теплоносителя. Возникающие при этом нестационарные периферийные течения в направляющих аппаратах (НА) существенно деформируют структуру потока в проточной части, в связи с чем необходимо тщательное изучение характера течения теплоносителя в этой области с глубоким анализом сопутствующих ему вторичных физических процессов.

Следует также учитывать, что рациональное проектирование ступеней большой веерности связано с необходимостью достижения их высокой тепловой экономичности в сочетании с оптимизацией виброакустических характеристик, весогабаритных показателей и стоимости изготовления.

Рассмотрим некоторые направления модернизации отсеков ЦНД паровых турбин, которые будут способствовать их аэродинамическому совершенствованию [1].

Как правило, увеличение проходных сечений отсеков низкого давления достигается за счет резкого раскрытия внешних обводов проточной части, для чего многие конструкции НА оснащены входными безлопаточными кольцевыми диффузорными участками. При этом следует отметить, что в диафрагмах со штампованными сопловыми лопатками (СЛ) диффузорность канала может быть сохранена и в области соплового аппарата (СА).

С учетом актуальности рассматриваемой проблемы в БГТУ выполнено исследование влияния предвключенных диффузорных участков диафрагм на работу турбинной ступени. Параметры потока в одной из таких моделей приведены на рис. 1 в сечениях на входе теплоносителя в СА (сеч.0), в межвенцевом зазоре (сеч.1) и за ступенью (сеч.2), для которых проиллюстрированы значения относительных полных давлений (соответственно ) и углы радиальных течений энергоносителя за НА (). Характер распределения потерь энергии (ж) по высоте проточной части для НА с различными углами раскрытия периферийной области () представлен на рис. 2.

Как свидетельствуют эпюры давления на входе в СА, теплоноситель, перемещаясь в пределах предвключенного конического участка, распределяется вдоль высоты канала неравномерно, что свидетельствует о наличии отрыва потока в области внешнего обвода, сопровождающегося значительными радиальными и окружными перетеканиями (рис. 1).

В связи с этим обстоятельством течение в межвенцевом зазоре и за ступенью становится крайне нестационарным. При этом срывные явления наблюдаются в обширной области, достигая в моделях с большими углами раскрытия до трети высоты рабочих лопаток у периферии, что свидетельствует о значительных потерях энергии в таких отсеках (рис. 2).

Рис. 1. Распределение по высоте проточной части параметров потока: 0 - на входе в СА; 1 - в межвенцевом зазоре; 2 - за рабочим колесом

Так как последние ступени паровой турбины срабатывают значительную часть общего теплоперепада, даже небольшое уменьшение их КПД существенно снизит эффективность работы агрегата, а потому необходима разработка мероприятий по повышению экономичности этих отсеков за счет улучшения условий течения теплового агента.

Рис. 2. Распределение потерь энергии по высоте проточной части в НА с различными углами раскрытия внешнего обвода : 1 -

Так, применение более широких диафрагм в части низкого давления (при неизменной ширине СЛ) позволит уменьшить степень расширения проточной части и тем самым сократить потери энергии. Это наиболее целесообразно выполнять на 2-3 последних ступенях отсека низкого давления, угол раскрытия внешнего обвода которых достигает наибольших значений. При этом следует учитывать, что в отличие от выходных осевых диффузоров, безотрывно работающих при ?10…12°, входные диффузорные участки НА подвержены эжекционному воздействию потока, протекающего в области направляющих каналов, а потому угол раскрытия диафрагм можно повышать до 25 … 30° без существенного снижения эффективности ступени.

Заслуживает внимания меридиональное профилирование обводов НА не только у периферии, но и в корневом сечении, что позволит распределить общую степень расширения проточной части диафрагмы между внешним и внутренним обводами, уменьшив за счет этого потери, связанные с отрывными явлениями. Аэродинамический эффект от некоторого раскрытия диафрагмы в корневой зоне также создается благоприятным спутным подсасывающим воздействием СА.

Положительный эффект в диафрагмах ЦНД с большими углами раскрытия у периферии будет обеспечен при формировании внешнего конического меридионального обвода до плоскости входа потока в СА или вдоль всей поверхности НА (рис. 3).

Возможно снизить потери энергии в ЦНД паровых турбин посредством использования диафрагм без входных диффузорных участков, разместив в области НА профилированные сопловые лопатки. При этом соответствующим формированием каналов сопл следует организовать их необходимую конфузорность, обеспечивающую благоприятное течение теплоносителя и, как следствие, минимальный уровень профильных потерь энергии в ступенях.

Выполненные в БГТУ исследования показали, что с целью дальнейшего повышения КПД последних ступеней ЦНД следует в ободе диафрагмы (перед направляющими лопатками) выполнять периферийный обвод со ступенчатым диффузором оптимальной формы (рис. 4). При этом в процессе протекания пара через сопловой аппарат в зоне уступа будет формироваться стабильный кольцевой вихрь, взаимодействие которого с основным потоком будет способствовать течению последнего с минимальными гидравлическими потерями. Это обеспечит повышение эффективности и улучшение виброакустических показателей ступеней большой верности благодаря:

- выравниванию структуры потока по высоте лопаточного аппарата;

- исключению явления запирания направляющих каналов в периферийной области;

- минимизации потерь энергии при движении основного потока в канале диафрагмы;

- повышению степени сепарации влаги.

Рис. 3. Модернизированный вариант ступени отсека низкого давления

Рис. 4. Схема течения пара в турбинной ступени со ступенчатым диффузором на входе в диафрагму

турбинный паровой проточный

Рис. 5. Схема турбинной ступени с отсосом пограничного слоя у поверхности периферийного обвода: 1 - обвод диафрагмы; 2 - отверстия сотового типа; 3 - кольцевой канал; 4 - полость с дефлектором в СЛ; 5 - щелевые отверстия в выходных кромках СЛ

Возможно и другое конструктивное решение в ступенях большой веерности - применение отсоса пограничного слоя у поверхности внешнего обвода направляющего аппарата в местах возможного отрыва потока (рис. 5), где следует расположить систему отверстий сотового типа 2, настроенных на определенный частотный диапазон звуковых волн с целью их гашения и выполненных с наклоном в сторону течения теплоносителя. Отобранный из периферийного потока пар посредством рециркуляции направляется в межвенцевой зазор ступени через сотовую структуру, кольцевой канал 3 диафрагмы, полости 4 СЛ, оснащенные специальными дефлекторами, и щелевые отверстия 5 в выходных кромках СЛ (рис. 5). Таким образом, энергия отобранного пара будет частично использована в рабочем процессе отсека низкого давления турбины. Наряду с этим существенно сократится виброакустическая активность ЦНД.

Анализируя результаты исследований, можно рекомендовать следующие методы конструктивного совершенствования ступеней большой веерности ЦНД паровых турбин:

- оснащение НА последних ступеней профилированными лопатками;

- размещение внешнего конического обвода диафрагмы до плоскости входа потока в СА или вдоль всей поверхности НА (рис. 3);

- выполнение на входе в диафрагму ступенчатого диффузора (рис. 4);

- организация отсоса заторможенного периферийного пограничного слоя в СА со сбросом в межвенцевой зазор ступени (рис. 5);

- обеспечение плавности периферийных меридиональных обводов в отсеках низкого давления.

Внедрение предлагаемых вариантов модернизации форм внешних обводов ступеней большой веерности ЦНД паровых турбин позволит значительно повысить их эффективность и долговечность, существенно сократить виброакустическую активность и расходы на эксплуатацию энергоблоков.

Список литературы

1. Гоголев, И.Г. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин / И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов. - Брянск: Грани, 1995. - 258 с.

Размещено на Allbest.ru