Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование регулирующих диафрагм паровых турбин

В паровых турбинах с производственным и теплофикационным отборами пара используются дополнительные парораспределительные устройства, обеспечивающие поддержание в камерах отбора заданного давления посредством регулирования пропуска теплоносителя через последующие ступени.

Применение для этой цели регулирующих клапанов в мощных энергоустановках неконструктивно ввиду больших объемов пропускаемого пара. Поэтому такой вариант возможен лишь в турбинах малой мощности с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии.

В крупных турбоблоках в качестве регулирующих органов целесообразно использовать поворотные диафрагмы, способствующие снижению веса и габаритов установки, упрощению конструкции цилиндров.

В практике отечественного турбиностроения применяют различные варианты таких устройств (рис. 1).

Рис. 1. Конструкции поворотных диафрагм: а - поворотная диафрагма ТМЗ (1 - диафрагма; 2 - поворотное кольцо); б - поворотная диафрагма ЛМЗ (1 - диафрагма; 2 - поворотное кольцо; 3 и 4 - соответственно окна верхнего и нижнего ярусов)

Так, Уральский турбомоторный завод (ТМЗ) использует в цилиндрах низкого давления выпускаемых агрегатов диафрагму 1 (рис. 1а), оснащенную со стороны паровпуска поворотным кольцом 2 с приводом от сервомотора, который обеспечивает его окружное смещение на угол .

В турбоустановках Ленинградского металлического завода (ЛМЗ) отбор пара регулируется диафрагмой 1 (рис. 1б), в которой на входе в сопла установлено специальное поворотное кольцо 2 (угол поворота составляет ) с двумя ярусами окон 3 и 4, расположенных таким образом, что вначале открываются каналы нижнего, а затем верхнего яруса.

Следует отметить, что в таких регулирующих устройствах для охлаждения ступеней низкого давления при закрытом положении поворотного кольца осуществляется пропуск пара через специальные щели в объеме 0,05…0,1 от номинального расхода.

В агрегатах Калужского турбинного завода (КТЗ) конструкция поворотной диафрагмы образована тремя кольцами (рис. 2а). Между неподвижным кольцом 3, в котором размещены 16 окон, и сопловой решеткой 1 образована полость, разделенная на 8 камер B (по два окна в кольце на группу сопл камеры). Поворотное кольцо 2 имеет такое же количество окон, размеры и расположение которых обеспечивают заданную закономерность изменения проходных сечений при его повороте, что аналогично четырехклапанному способу парораспределения (рис. 2б).

С целью накопления материалов по таким регулирующим устройствам в лаборатории турбомашин БГТУ были выполнены аэродинамические эксперименты, где последняя модель служила объектом исследования. Для приближения условий работы опытного отсека к натурным испытания ступени проводились совместно с предвключенной камерой производственного отбора (рис. 2а, поз. 1) [1].

В процессе исследований, выполненных в области чисел Маха и Рейнольдса Re, характеристический коэффициент изменялся за счет изменения частоты вращения ротора. При этом определялись теплопадения во всех элементах отсека.

Исследование аэродинамических характеристик опытного стенда проводилось при девяти фиксированных положениях поворотного кольца. Каждому положению кольца соответствует определенное значение проходной площади окон, величина которой для пяти положений клапанов представлена в таблице в процентах от максимального значения.

Величина проходной площади окон поворотной диафрагмы

Как видно из таблицы, клапаны диафрагмы открываются со значительной перекрышей. При изменении положения поворотного кольца и, соответственно, степени открытия окон изменяется потеря энергии на дросселирование. Это вызывает перераспределение общего теплопадения ступени между ее составными частями.

Рис. 2. Схема экспериментального отсека: а - проточная часть модели отсека (1 - камера отбора; 2 - поворотное кольцо; 3 - неподвижное кольцо; 4 - сопловая решетка; 5 - рабочее колесо; 6 и 7 - окна неподвижного и подвижного колец); б - варианты открытия неподвижного кольца (1, 3, 5, 7 - один или несколько клапанов открыты полностью, 4, 6 - один клапан открыт наполовину, часть клапанов открыты полностью)

Результаты исследований показали, что в ступени с поворотной регулирующей диафрагмой, имеющей сопловое парораспределение, наблюдается значительная неравномерность параметров потока в окружном направлении и в пределах каждого сегмента (клапана), а также при переходе от одного сегмента к другому. Это создает весьма неблагоприятные условия работы лопаточного аппарата ступени. Обнаруженное в опытах изменение теплоперепада в сопловой решетке вызывает очень большие колебания по окружности значений углов атаки при входе на рабочие лопатки. Например, как показали расчеты, при установке поворотного кольца в положение 4 за один оборот ротора углы атаки изменяются в пределах от +6 до -150^°. Это вызывает дополнительные потери энергии, присущие только регулирующим ступеням с сопловым парораспределением, и существенно повышает виброакустическую активность облопачивания.

Для наиболее полного представления о величине энергетических потерь в окнах регулирующей диафрагмы при изменении количества протекающего через них рабочего тела были получены опытные зависимости (рис. 3). Здесь представляет собой отношение осредненнойвеличины полного давления в камерах соответствующего клапана к полному напору перед ступенью, а - отношение расхода воздуха через ступень при частичных открытиях направляющего аппарата к максимальному расходу.

Как видно, в диапазоне расходов дросселирование потока происходит только в первом и втором клапанах, имеющих более раннее открытие, а начиная с этот процесс протекает также в третьем и четвёртом клапанах. При этом зарегистрирован достаточно высокий уровень потерь энергии в окнах, достигающий даже в положении полного открытия клапанов 10% и более.

Обнаруженные в опытах явления не могли не оказать существенного влияния на эффективность работы ступени. Представленная на рис. 3 зависимость КПД ступени от относительного расхода рабочего тела при (и/С₀)_opt имеет характерные градиенты изменения в начальные моменты открытия клапанов. Следствием весьма неблагоприятных условий работы как направляющих, так и рабочих лопаточных аппаратов является сравнительно низкая экономичность ступени даже при максимальном открытии окон (з^?_max = 0,59).

Рис. 3. Зависимости давления в сопловых камерах клапанов и КПД ступени от расхода воздуха

Результаты опытов позволили также установить, что одним из методов, позволяющих повысить КПД ступеней подобного типа, является проектирование их с последовательным открытием клапанов.

Возможны и другие конструктивные решения, способствующие снижению потерь энергии в регулирующих диафрагмах.

Так, анализ структуры потока в их решетках свидетельствует, что за щелью в канале возникают скачки уплотнения, а обтекание спинки с частично вогнутой поверхностью на ее входном участке носит отрывной характер.

С целью сокращения протяженности зоны отрывных течений при частичных открытиях диафрагм следует перемещать поворотное кольцо в положение закрытия (в отличие от традиционно используемого в турбинах метода) в направлении от вогнутой к выпуклой поверхности соплового канала, а в положение открытия - в обратном направлении. Опыт показал, что и при таком способе регулирования нестационарность потока на входе в рабочую решетку остается весьма высокой, что отрицательно сказывается на ее экономичности и надежности.

Для повышения эффективности и долговечности работы послеотборной ступени с поворотной регулирующей диафрагмой предложен следующий способ ее аэродинамического совершенствования. В подвижной части 2 лопатки диафрагмы 3 (рис. 6) выполнена полость 6, которая сообщается с проточной частью входным (5) и несколькими выходными отверстиями (7). Часть 4 лопатки закреплена в диафрагме 3 и неподвижна. Входное отверстие выполнено на профильной, а выходные отверстия - на торцевых поверхностях подвижной части лопатки.

При работе турбины на режиме частичного закрытия диафрагмы на одной стороне лопатки образуется область внезапного сужения, а на другой - внезапного расширения потока. За счет естественной разности давлений из области внезапного сужения через входное отверстие 5, полость 6 и выходные отверстия 7 пар попадает в область внезапного расширения, обеспечивая сдув заторможенного потока, что обусловливает снижение потерь энергии в диафрагме и виброакустической активности отсека. При работе на режиме полного закрытия регулирующей диафрагмы подвижная часть 2 лопатки полностью перекрывает межлопаточный канал, но входное 5 и выходные 7 отверстия остаются открытыми и обеспечивают необходимый расход пара для охлаждения цилиндра низкого давления, что повышает надежность работы турбины.

Следует также отметить, что с уменьшением степени открытия каналов возрастает реакция ступени и, как следствие, осевое усилие на рабочее колесо, что можно объяснить резким сокращением скорости за сопловым аппаратом и повышением по этой причине угла выхода потока в рабочую решетку.

Другим конструктивным решением может служить вариант поворотной диафрагмы с отсосом пограничного слоя на спинке направляющей лопатки (НЛ) в области его максимального отрыва (рис. 7, 8). С этой целью неподвижная часть сопловой решетки выполняется полой со щелями 1 в зоне задней кромки.

Отбираемый заторможенный пограничный слой теплоносителя поступает через щели 1 и внутреннюю полость НЛ в кольцевой канал 2 (рис. 7), а оттуда через вентили 3, расположенные по его окружности через 90^°, в паровой тракт последующих турбинных ступеней.

Отсос рабочего тела происходит за счет разности давлений энергоносителя в межвенцевом зазоре регулирующей диафрагмы и в камере ступени, расположенной за отборным отсеком, т.е. посредством самоциркуляции потока.

В режиме полного закрытия сопл НЛ привод поворотного кольца подает сигнал на запирание вентилей 3 посредством специального блока управления с последующим их открытием в условиях подачи пара в проточную часть отборного отсека.

Управление пограничным слоем будет способствовать выравниванию структуры потока за НЛ поворотной диафрагмы, что обеспечит уменьшение нестационарности течений в межвенцевом зазоре и, как следствие, снизит аэродинамические потери в ступени, сократит уровень шума и вибрации, повысит работоспособность энергоблока.

Рассмотренные способы модернизации парораспределительных органов позволяют существенно сократить энергетические потери в таких турбинных отсеках, улучшить их виброакустические характеристики, повысить надежность и долговечность лопаточных аппаратов.

Список литературы

парораспределительный турбина виброакустический энергетический

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