Влияние технологических и эксплуатационных факторов на изменение проектной геометрии проточной части турбомашин и характеристик их ступеней

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние технологических и эксплуатационных факторов на изменение проектной геометрии проточной части турбомашин и характеристик их ступеней

И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, Т.А. Николаева

Аннотация

Приведены результаты исследования влияния изменения геометрии каналов сопловых и рабочих решеток турбомашин на их экономичность и надежность.

Ключевые слова: ротор, ступень, солеотложение, реактивность, осевое усилие, турбомашины, технологические факторы, эксплуатационные факторы, характеристика ступени.

Перспективы развития современной энергетики тесно связаны с проблемой повышения экономичности и долговечности турбомашин. Тенденция увеличения мощности и усложнения конструкции сопровождается ростом требований к надежности и эффективности энергоблоков, а повышение ресурса турбоустановок является одной из основных задач улучшения качества.

При этом в процессе проектирования необходимо учитывать воздействие ряда эксплуатационных факторов, оказывающих влияние на характеристики агрегатов, например изменение геометрии каналов решеток вследствие засоления (загрязнения) проточной части, возможного в паротурбинных установках (ПТУ) водяного удара или попадания в горячий блок холодного пара (из линии отбора), приводящих к деформациям сопл, и др.

Материалов о влиянии таких факторов на технико-экономические показатели энергоблоков недостаточно, а приведенные ниже результаты регистрации отдельных производственных случаев не систематизированы и глубоко не изучены.

Так, на турбине мощностью 160 МВт [3] за четыре месяца эксплуатации средний уровень солеотложений на лопатках составил 1,5…2 мм, что привело к снижению мощности блока на четверть.

В газотурбинных установках (ГТУ) компрессорных станций магистральных газопроводов наблюдаются значительные загрязнения первых ступеней компрессоров, где наибольшие отложения формируются на выпуклой стороне лопаток, что приводит к снижению полезной мощности установок на 2…4% [2]. При этом в ГТУ такого типа, расположенных в промышленных центрах, налеты преимущественно содержат органические вещества, а в установках, работающих в южных регионах, - минеральные компоненты.

Существенно меняются в процессе эксплуатации характеристики корабельных ГТУ ввиду попадания в проточную часть содержащихся в воздухе солей.

Значительному засолению подвергается проточная часть турбин геотермальных станций, так как рабочий пар содержит свыше 1000 различных химических соединений, примесей и газов, компоненты которых осаждаются на поверхности лопаточных венцов, где превалирует Fe₃O_4.

Сложно решается проблема снижения отложений в газотурбинных двигателях колесных и гусеничных машин, которые работают в условиях наличия в воздухе большого количества кварцевой пыли (с содержанием SiО₂ от 60 до 90%) или лессовой пыли (с содержанием СаО до 7…9% и Na₂O - до 12…13%). При оборудовании таких транспортных средств даже эффективными воздухоочистителями на лопатках первого соплового аппарата турбины образуются отложения, состоящие из мелких (1…2 мкм) частиц спекшейся пыли, плавящейся при температуре около 1500 К, которая достаточно интенсивно загромождает межлопаточные каналы.

Тяжелые условия эксплуатации характерны и для ГТУ, работающих на доменном газе, который даже после сухой очистки обладает запыленностью до 5 мг/м³ и более.

Достаточно подробно состав и количество образующихся солеотложений изучены в паротурбинном блоке типа К-300-240 [1,3]. Установлено, что загрязнение проточной части преимущественно развивается в направляющих аппаратах (НА). Максимальная толщина отложений на поверхностях рабочих лопаток (РЛ) составляет 0,04…0,15 мм, в то время как под бандажом она достигает нескольких миллиметров.

Как видно, интенсивность отложений в ПТУ и ГТУ зависит от многих факторов, а их численные значения достаточно высоки, несмотря на использование специальных защитных устройств (воздухозаборных шахт, фильтров, сепараторов и др.).

Очистка проточных частей на работающих установках не всегда позволяет получить удовлетворительные результаты, остановка же их для этой цели во многих случаях невозможна. В таких условиях приходится эксплуатировать турбомашины, причем порой достаточно длительные сроки, с определенным уровнем загрязнения лопаточных каналов, т. е. при уменьшенной площади их выходного сечения по сравнению с расчетной.

В процессе работы установок, как было показано, возможно и некоторое увеличение угла выхода потока из решеток за счет их деформации.

Аналогичные изменения линий тока теплоносителя в проточной части турбомашин наблюдаются и при нарушении технологии ее производства - недостаточном качестве изготовления и монтажа сопловых и рабочих венцов.

Отклонение от расчетных условий течения рабочего тела в лопаточных аппаратах приводит к изменению основных характеристик ступеней: степени реакции ( с ), расхода теплоносителя (G), коэффициента полезного действия (КПД) ( з ), развиваемой мощности и осевого усилия на рабочие лопатки (Р_л).

Изложенное свидетельствует об исключительной актуальности рассматриваемой проблемы, составившей предмет исследования.

Рис. 1. Зависимости степени реактивности ступеней двухступенчатого отсека от величины: 1, 2 - и для первой ступени; 3, 4 - и для второй ступени

Влияние изменения угла выхода потока из НА на энергетические показатели турбомашин изучалось на экспериментальном динамическом воздушном стенде с использованием моделей как семи вариантов одноступенчатых турбинных отсеков (с диапазоном изменения отношения d/l 7,9…27,6 и степени реакции - 0,1…0,2), так и двухступенчатого отсека, в котором характеристические параметры первой ступени составляли (d/l)₁ = 6,35 и с₁ = 0,21, второй - (d/l)₂ = 5,45 и с₂ = 0,27. При этом изменение углов выхода газа из сопловых и рабочих решеток (вследствие технологических погрешностей, засоления каналов или деформации профилей в натурных образцах) моделировалось в опытах варьированием в турбинных отсеках углов установки лопаток НА и рабочего колеса (РК).

В ходе исследования двухступенчатого отсека было установлено, что с увеличением угла выхода потока из диафрагмы реактивность предвключенной ступени как в корневом (), так и в периферийном () сечениях возрастает, а при уменьшении - уменьшается, причем наиболее интенсивно изменяется корневая реакция (рис. 1). Так, при изменении угла от 0,15 до +0,15 (

где - расчетное значение угла; - значение исследуемого угла) величина корневой реакции (с'₁) в опытной модели возрастает от 0,1 до +0,1, а периферийной () - от 0,26 до 0,36.

В то же время изменение в двухступенчатом отсеке угла установки сопл первой ступени () практически не сказывается на степени реакции последующей ступени (), как и изменение угла выхода газа из НА второй ступени () - на реактивности первой ().

Наряду с этим исследовано влияние угла выхода потока из диафрагм на экономичность турбинных ступеней.

На рис. 2 проиллюстрирована зависимость

где (здесь- КПД предвключенной ступени двухступенчатого отсека при ; - КПД этой ступени при исследуемом значении угла).

Как видно, отклонение от расчетного значения вызывает снижение КПД первой ступени турбинного отсека ввиду возрастания углов атаки энергоносителя на профили смежных РЛ (отрицательных при и положительных при), что ухудшает условия обтекания этого венца; создает возбуждающие силы, вызывающие виброакустическую активность РК; влияет на степень реактивности.

Так, при значение становится отрицательным, в РК происходит удар потока в вогнутую сторону профилей, вызывая существенный рост потерь кинетической энергии и, как следствие, градиента изменения КПД турбинной ступени (рис. 2).

Следует также отметить, что при увеличении возрастает расход рабочего тела через двухступенчатый отсек (рис. 2). Здесь

где и - соответственно расход теплоносителя при и .

Аналогичные зависимости и фи-зиические процессы зарегистрированы при испытании одноступенчатых моде-лей, в которых изменялись углы входа из сопл:

где и - соответственно расчетное и опытное значения углов выхода рабочего агента из НА изолированных турбинных ступеней (рис. 2).

Рис. 2. Зависимости изменения относительного внутреннего КПД и относительного расхода рабочего тела через турбинный отсек от величин и :1 - ; 2 -

Как видно, полученную зависимость практически можно принимать в качестве универсальной характеристики при расчете ступеней осевых турбин.

Результаты экспериментов также показали, что величина угла выхода потока из диафрагмы влияет на уровень осевого усилия на РЛ этой ступени - (рис. 3, кривая 1). Здесь величина относительного осевого усилия

где - осевое усилие на лопаточный венец РК при расчетном значении углов и ( и - для изолированных моделей и в двухступенчатом отсеке); - при исследуемом значении угла.

Рис. 3. Зависимости относительного осевого усилия на РЛ от относительных изменений углов выхода потока из НА и РК: 1 -; 2 -

Опытную характеристику можно также считать близкой к универсальной и использовать при расчете параметров ступеней осевых турбин. сопловый турбомашина решетка энергетический

Оценить степень влияния изменения углов выхода энергоносителя из смежных НА в двухступенчатом отсеке (первой модели - - и второй -) на величину относительного осевого давления, действующего на РЛ предвключенного РК, можно с помощью номограммы (рис. 4). Так, если в процессе изготовления или эксплуатации турбины произошло изменение углов выхода потока из НА, например , то осевое усилие на лопаточный венец уменьшится по сравнению с расчетным значением приблизительно на 0,115 (рис. 4, точка А), что определено методом интерполяции кривых.

В случае изменения угла выхода рабочего тела только в одной из диафрагм, например при , усилие окажется выше расчетного на 0,085 (рис. 4, точка В). Аналогично можно оценить отклонение усилия при изменении угла.

Рис. 4. Номограмма для определения относительного осевого усилия на РЛ турбинного отсека в зависимости от величин и

Таким образом, на основании проведенных исследований можно заключить, что отклонение от расчетного значения угла выхода потока из НА оказывает существенное влияние на осевое усилие и экономичность данной ступени, но незначительно влияет на осевую нагрузку в предвключенной и последующих ступенях.

Практический и теоретический интерес представляет изучение влияния угла установки РЛ в_y (угла выхода теплоносителя из рабочего венца в₂) на характеристики турбинного отсека. Объектом исследования служила модель изолированной ступени с отношением d/l=6,22 и степенью реакции =0,28.

Программа испытаний включала изучение четырех вариантов РК с различными углами установки профилей: в_y=, ,(модель расчетной ступени) и . При этом угол в₂ соответственно имел значения , , (расчетная величина -) и .

При испытаниях использовалась сопловая решетка проектного варианта турбинного отсека.

В процессе экспериментальных исследований было установлено, что уменьшение угла установки РЛ способствует росту реакции ступени из-за изменения углов атаки потока и, как следствие, характера течения рабочего тела в проточной части, уменьшения эффективной проходной площади РК. Зависимости корневой () и периферийной () степени реактивности от относительного значения изменения угла () приведены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимости степени реактивности ступени от изменения угла: - корневая реактивность; - периферийная реактивность

Представленный характер изменения реактивности свидетельствует о том, что при уменьшении угла осевое усилие на РЛ возрастает. Зависимость для относительной величины этого параметра (отнесенной к уровню осевого давления на РЛ в расчетной модели) проиллюстрирована на рис. 3 (кривая 2), из которого следует, что изменение угла от +0,15 до 0,15 вызывает почти трехкратный рост усилия.

Выполненное исследование влияния угла на экономичность турбинной ступени показало, что его отклонение от расчетного значения приводит к снижению КПД ступени, причем градиент изменения последнего возрастает с увеличением значения (рис.6). Здесь величина относительного изменения КПД

где и - внутренний КПД ступени соответственно прии .

Рис. 6. Зависимость изменения относительного внутреннего КПД турбинной ступени от изменения угла

Наиболее интенсивно эффективность преобразования энергии в отсеке уменьшается при возникновении положительных углов атаки потока на РЛ, что вызывает одновременно значительный рост виброакустической активности РК и, следовательно, сокращает работоспособность последнего.

Таким образом, отклонение от проектной геометрии каналов решеток турбомашин под влиянием технологических и эксплуатационных факторов приводит к росту потерь энергии теплоносителя, снижению экономичности и надежности энергоблоков, изменению осевого усилия ротора, что указывает на необходимость:

- использования высокоэффективных воздухоочистительных устройств и качественных видов топлива в ГТУ;

- контроля водного режима в ПТУ;

- своевременной очистки проточной части от загрязнений;

- применения прогрессивных комбинированных и наукоемких методов обработки и создания поверхностных слоев лопаточных аппаратов, обеспечивающих повышение точности их изготовления и долговечности.

Список литературы

1. Золотарева, В.А. Исследование образования отложений и их влияние на физические процессы и технико-экономические характеристики турбинных установок тепловых электрических станций: автореф. дис…. канд. техн. наук / В.А. Золотарева. - Минск: БПИ, 1980.-21с.

2. Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов /А.Н. Козаченко. - М.: Нефть и газ, 1999.-463с.

3. Трухний, А.Д. Стационарные паровые турбины / А.Д.Трухний.-М.:Энергоатомиздат,1990.-640с.

Размещено на Allbest.ru