Результаты экспериментального исследования течения потока в уравнительной камере за регулирующей ступенью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты экспериментального исследования течения потока в уравнительной камере за регулирующей ступенью

А.В. Осипов, А.Н. Голушко

Рассмотрено влияние уравнительной камеры за регулирующей ступенью на характер потока за первой ступенью давления. Построены зависимости изменения коэффициента потерь энергии от режимов работы регулирующей ступени и геометрии камеры. Рассмотрены пути улучшения организации течения в камере.

Ключевые слова: регулирующая ступень, уравнительная камера, коэффициент потерь энергии, неравномерность течения, парциальность.

Ведущая роль в производстве электрической энергии принадлежит паротурбинным установкам (ПТУ). Выполнение неравномерного графика электрической нагрузки обеспечивают пиковые и полупиковые паровые турбины. Эффективность рабочего процесса таких турбин в значительной степени зависит от выбора конструктивных и режимных параметров парциального отсека с сопловым парораспределением.

Условия работы регулирующей ступени (РС) приводят к значительной окружной неравномерности параметров потока в уравнительной камере (УК). Это, в свою очередь, существенно влияет на экономичность первой нерегулируемой ступени давления (СД) и цилиндра высокого давления в целом. В таблице приведены схемы построения проточных частей турбин, выпускаемых КТЗ, ЛМЗ, ТМЗ, которые показывают наличие подобной проблемы для цилиндров не только высокого, но и среднего и низкого давления. камера давление паровая турбина

Таблица

Схемы построения проточных частей паровых турбин малой мощности

Примечание. В формуле схемы проточной части Р - одновенечная РС, К - двухвенечная РС.

Экспериментальные исследования парциальных отсеков указывают на сложный пространственный характер течения в УК. Известны исследования по определению влияния работы РС на последующие СД, выполненные на базе ХТЗ, БИТМа и МЭИ [1;4-6]. Следует отметить, что эксперименты, выполненные в последнее время, проводились в основном на статических стендах. Полученные результаты дают основание для предположения об имеющемся резерве повышения экономичности парциальных отсеков за счет совершенствования их конструкции. Анализ литературных данных позволяет констатировать наличие недостаточно изученных проблем, связанных с применением отсеков РС-УК-СД. Поэтому экспериментальные исследования подобных отсеков являются актуальными и представляют практический интерес.

Для решения поставленной проблемы был спроектирован и создан модельный отсек [3], повторяющий типовую конструкцию парциального отсека паровой турбины с возможностью изменения его конструктивного оформления (выбор межступенчатого расстояния, установка периферийных и корневых обводов, организация парциального подвода рабочего тела (р.т.) и др.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение нагрузки ПТУ определяется режимом работы РС. При этом меняются парциальность е и характеристическое отношение u/c0=x, во многом определяющие экономичность РС и последующих СД. С целью выбора области проводимых исследований были проанализированы режимные характеристики РС турбин, выпускаемых КТЗ (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как следует из рис. 1, РС большинства турбин основную часть времени работают на дооптимальном (x<xopt) режиме. Встречаются случаи работы турбины на режимах выше оптимального (x>xopt), но они не являются основными и используются крайне редко. На рис. 2 представлен график распределения значений максимально возможной парциальности для рассматриваемого ряда турбин. Из представленного графика видно, что большинство турбин спроектированы для работы с максимально возможным значением степени парциальности, не превышающим 0,7. Реже встречаются турбины, работающие с максимальной степенью парциальности е=0,85…0,9. Поэтому наибольший интерес при исследовании модельного отсека представляли турбины, работающие с е<0,7.

Во всех исследованных турбинах с целью уменьшения потерь на концах сегментов сопел подвод р.т. осуществлялся путем открытия соседних клапанов.

Экспериментальные исследования по определению влияния конструктивных и режимных параметров на экономичность отсека РС-УК-СД выполнялись по разработанной в лаборатории турбомашин кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ методике [7] с соответствующими специфике исследуемой модели дополнениями. Для определения суммарных характеристик РС необходимо располагать осреднёнными значениями параметров потока в контрольных сечениях. Так как условия работы РС приводят к значительной окружной и радиальной неравномерности, необходимо проводить подробное траверсирование потока в этих контрольных сечениях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При проведении опытов траверсирование потока за НА СД осуществлялось ориентируемыми 5-канальными пневмометрическими зондами, установленными с возможностью их перемещения по высоте лопатки с шагом 0,5 мм и по окружности с шагом 1є. Отсчет велся по часовой стрелке начиная из точки А - 0є (рис. 3а). Экраны для создания парциального подвода устанавливались симметрично относительно точки А. На рис. 3б представлен пример установки экрана для создания парциальности е=0,5. По часовой стрелке от точки А установлен экран с е=0,25, симметрично ему - второй. Оба экрана совместно обеспечивали необходимую парциальность. Вариант расположения экранов выбран аналогично прототипу таким образом, чтобы р.т. проходило через соседние сопла, тем самым снижая сегментные потери.

Для получения эпюр распределения давления по окружности было проведено подробное траверсирование потока за НА СД с последующим приведением параметров к требуемому режиму и осреднением их по высоте лопатки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Длительность и большой объем работы при траверсировании контрольных сечений вынуждают проводить эти измерения в отдельных опытах. Вследствие этого процесс опытного определения суммарных характеристик УК осуществлялся в несколько этапов:

1. Проведение экспериментального исследования парциального отсека с целью получения суммарных аэродинамических характеристик его элементов по параметрам потока в контрольных точках.

2. Траверсирование потока в контрольных сечениях (2-1 - за РК РС; 1-2 - за НА СД).

3. Приведение полей параметров потока, полученных при траверсировании, к соответствующему режиму в ходе снятия суммарных характеристик по параметрам в контрольных точках.

4. Осреднение приведенных параметров потока в контрольных сечениях.

5. Определение эмпирической связи между осредненными параметрами в контрольных сечениях и параметрами потока в контрольных точках; расчет действительных средних значений параметров потока на режимах снятия суммарных характеристик.

6. Расчет искомых действительных суммарных аэродинамических характеристик элементов отсека по действительным средним параметрам потока.

Так как полученные значения КПД являются функцией параметра отношения скоростей, то необходима статистическая оценка точности. Для этого использовался метод наименьших квадратов. С его помощью находились вероятнейшие значения коэффициентов функциональной зависимости, описывающей результаты измерений, затем определялась доверительная область вокруг нее. В данной области заданной доверительной вероятности находится истинная кривая. Погрешность каждого отдельного измерения КПД можно оценить по погрешностям первичных измерений. Для экспериментального стенда было просчитано, что для отдельных опытных точек КПД равен ±0,23% (относительных) при доверительной вероятности, равной 0,95. Результаты расчетов показывают, что в зоне оптимума доверительный интервал меняется в пределах 0,05…0,12% при заданной надежности 0,95; для зон, удаленных от оптимума, доверительные интервалы не превосходят ±0,15%.

С целью количественного определения степени неравномерности потока по данным траверсирования выходного поля давлений рассчитывалось осредненное значение относительного избыточного давления полного торможения[6]:

,

где n - число экспериментальных точек.

Затем из результатов траверсирования находились две выборки отклонения значений избыточного давления полного торможения :

(j= 1…k), (g= 1…q) .

Проводилось следующее осреднение :

, ,

где f - число экспериментальных точек, вошедших в первую выборку; d=n-f - число экспериментальных точек второй выборки.

В результате для количественной оценки степени окружной неравномерности целесообразно использовать следующий коэффициент неравномерности выходного поля давлений за сопловой решеткой

.

Потеря располагаемой кинетической энергии в УК оценивалась по следующей зависимости:

где - статическое давление за НА СД; - полное давление за НА СД; - полное давление за РК РС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для отработки методики и получения эталонных характеристик РС в отсеке были проведены ее исследования с полным подводом р.т.

В ходе исследования влияния режима работы РС x=u/c0 и относительного межступенчатого расстояния (ОМР) на характер распределения параметров потока в УК получены графики относительного избыточного давления торможения при ОМР =2,5 и =3,5.

Результаты исследований показали, что режим работы РС не оказывает значительного влияния на характер распределения параметров потока в УК. На рис. 5а-в представлены графики распределения относительного давления за НА СД при 2,5 на дооптимальном, оптимальном и выше оптимального режимах соответственно. Коэффициент неравномерности для этих же опытов изменялся в пределах ДФ=2,25%. При увеличении ОМР до 3,5 (рис. 5г) происходит незначительное уменьшение коэффициента неравномерности по сравнению с работой отсека на оптимальном режиме. Как следует из рис. 5г, при 3,5 разница составляет ДФ=0,8%.

В ходе исследования работы РС было отмечено, что при уменьшении ОМР (< 2) происходит падение КПД РС. Это наиболее заметно проявляется для полноподводного режима. На рис. 6 представлены графики изменения относительного КПД РС в зависимости от режима работы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Графики изменения КПД РС при работе в изолированных условиях и работе в отсеке с УК при 3,5 полностью совпадают, а при 1 происходит падение КПД на 2%. В режиме парциального подвода р.т. характер зависимостей сохраняется (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как показано на рис. 7, увеличение ОМР приводит к росту КПД РС до значения, соответствующего ее работе в изолированных условиях.

С целью определения влияния геометрии УК при различных вариантах парциального подвода были построены графики изменения относительного максимального КПД РС в зависимости от ОМР (рис.8). Значения на кривых получены путем деления максимального КПД РС для каждого из выбранных ОМР на максимальный КПД ступени при ее работе с тем же уровнем парциальности в изолированных условиях: .

На рис. 8 показано, что при работе РС в режиме полного подвода и =3…4 УК не оказывает влияния на КПД РС. При <3 КПД РС уменьшается. Данное явление объясняется тем, что при уменьшении ОМР кольцевая струя, выходящая из РК РС, не может беспрепятственно распространяться, ударяясь в расположенную напротив нее стенку. Это вызывает рост сопротивления потоку р.т. за РК и приводит к увеличению давления за РС (кривая 4). Кривая 1 характеризует изменение КПД ступени при ее работе в парциальном режиме при наименьшем значении парциальности - е=0,23. Для данного условия подвода р.т. характерно наименьшее падение КПД РС. Это обусловлено тем, что при парциальном подводе из РС р.т. вытекает не по кольцевой струе, а по ее ограниченному сектору, который может растекаться, не вызывая значительного повышения давления за РС и уменьшения срабатываемого теплоперепада.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кривые 2 и 3 характеризуют изменение относительного максимального КПД при работе ступени в условиях парциального подвода при е=0,5 и е=0,7 соответственно. Судя по расположению кривых, можно утверждать, что существует прямая зависимость между градиентом падения максимального КПД и степенью парциальности ступени. Чем ниже значение парциальности, тем медленнее происходит падение КПД РС. Если при работе РС в составе отсека с полноподводным режимом ее КПД становится равным КПД ступени в изолированном режиме при ОМР 3, то для ступени с парциальностью е=0,23 это достигается при 2,2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При работе отсека с парциальным подводом р.т. прослеживается влияние режима работы РС на распределение давления за НА СД (рис. 9). Изменение режима работы (x=u/с0) приводит к смещению пика максимальных давлений в сторону закрутки потока.

На режимах ниже оптимального (x<xopt) величина распространения активной дуги составляет 65°, при этом коэффициент неравномерности Ф=0,92. При x?xopt величина распространения активной дуги составляет 130°, при этом коэффициент неравномерности Ф=0,88. При x>xopt величина распространения активной дуги составляет 155°, коэффициент неравномерности Ф=0,84. Отсюда следует, что с увеличением характеристического отношения u/c0 сектор кольцевой струи увеличивается практически в два раза. При этом он смещается в сторону вращения рабочего колеса. Указанное явление сохраняется при уровнях парциальности е=0,23…0,7 и 1…4. Чем выше значения е и Дz, тем в меньшей степени проявляется данная зависимость.

При работе РС с парциальным подводом при е=0,5 рост от 1 до 4 приводит к выравниванию потока (рис. 10). С увеличением ОМР коэффициента неравномерности снижается, одновременно увеличивается дуга активного подвода (от 180 до 240є).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В ходе анализа полученных результатов были построены графики изменения коэффициента неравномерности полного давления в зависимости от межступенчатого расстояния для различных уровней парциальности (рис. 11). Очевидно, что при увеличении ОМР от =1 до =2 происходит резкое падение коэффициента неравномерности. Дальнейшее увеличение ОМР также приводит к падению этого коэффициента, но градиент падения уменьшается. При >3 падение коэффициента неравномерности находится в пределах 1…3%. Поэтому для создания равномерного течения следует выполнять камеру с величиной ОМР >3.

Коэффициент потерь энергии в УК зависит от режима работы РС, степени ее парциальности и геометрии камеры. При этом на оптимальном режиме увеличение от 1 до 2 снижает коэффициент потерь на 40%. При >2 происходит наиболее плавное перетекание потока в УК, позволяющее получить наименьший уровень потерь. Приведенные зависимости сохраняют одинаковый характер для всех исследованных уровней парциальности (рис. 12).

В ходе опытов была установлена зависимость коэффициента потерь энергии от режима работы РС. На рис. 13 представлены графики изменения относительного КПД и коэффициента потерь в зависимости от режима работы РС. Как видно из графиков, наименьший уровень потерь наблюдается при работе РС на режимах выше оптимального.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При этом одним из определяющих факторов следует считать закрутку потока р.т. за РК, от которой сильно зависит взаимодействие основного потока с массой газа, заполняющей УК. При режиме работы РС х< х opt закрутка с2uРС<0, т.е. вектор основного потока противоположен направлению вращения диска РК РС и массы р.т. в УК. При х=хopt поток за РК практически осевой и с2uРС=0, а рассматриваемые векторы взаимоперпендикулярны. В области режимов х>хорt направления этих потоков совпадают, так как закрутка с2uРС>0 [2]. При совпадении направлений течения потоков получаем зону наименьших потерь энергии в УК. Данное явление также объясняет, почему при изменении режима работы РС смещается зона активной дуги.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как показали проведенные исследования, экономичность регулирующей ступени зависит от режима ее работы и геометрических характеристик УК, в частности от межступенчатого расстояния. Выявлена оптимальная величина этого расстояния, минимальное значение которого не должно быть менее =2,5. Выбор данного расстояния зависит от конструктивных особенностей парциального отсека.

Общие потери в камере РС определяются режимом ее работы. В частности, установлено, что положительная закрутка уменьшает уровень потерь. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании рассматриваемых отсеков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гоголев, И.Г. Характеристики двухступенчатого отсека и его второй ступени при парциальном впуске первой ступени/ И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, В.В. Тарасов// Теплоэнергетика. - 1983. - №6. - С. 24-26.

2. Гоголев, И.Г. Метод определения КПД двухступенчатого турбинного отсека /И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - №4. - С. 27-31.

3. Осипов, А.В. Повышение эффективности работы парциального отсека паровой турбины благодаря физическому и численному моделированию/ А.В. Осипов, А.Н. Голушко, А.В. Бирюков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - №3.- С. 40-45.

4. Галацан, В.Н. Исследование регулировочной ступени совместно с последующим направляющим аппаратом / В.Н. Галацан, В.И. Гольман, Л.А. Зарубин // Теплоэнергетика. - 1985. - №7. - С. 61-63.

5. Зарянкин, А.Е. Использование перфорированных экранов в камере регулирующей ступени паровой турбины с сопловым парораспределителем /А.Е. Зарянкин, С.В. Арианов, О.М. Фичоряк [и др.] // Тяжелое машиностроение. - 2007. -№1. -С. 10-15.

6. Зарянкин, А.Е. Снижение неравномерности параметров потока при входе в сопловой аппарат первой нерегулируемой ступени паровой турбины с сопловым парораспределением / А.Е. Зарянкин, Н.А. Зройчиков,А.Н. Парамонов,О.М. Фичоряк // Теплоэнергетика. - 2006. - №11. - С. 4-9.

7. Афанасьев, Н.Н. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Н.Н. Афанасьев, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев [и др.]; под общ. ред. В.А. Черникова. - Л.: Машиностроение, 1980. - 263 с.

Размещено на Allbest.ru