Структура потока в межступенчатом зазоре при переменных режимах работы модели отборного отсека паровой турбины

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Структура потока в межступенчатом зазоре при переменных режимах работы модели отборного отсека паровой турбины

И.Г. Гоголев

Представлены результаты экспериментального исследования структуры потока между ступенями модели отборного отсека теплофикационной паровой турбины. Рассмотрены опытные поля распределения по длине лопатки полного и статического давлений и углов потока в тангенциальной и радиальной плоскостях при нескольких значениях расхода воздуха в отбор и переменных режимах работы предотборной ступени.

Ключевые слова: неосесимметричное течение; отборный отсек; теплофикационная турбина; структура потока.

Перспективным направлением в развитии теплофикации является широкое использование паровых турбин для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. В этих турбинах важное место занимают отборные двухступенчатые отсеки (ОДО).

Отбор пара из проточной части турбины оказывает существенное влияние на работу ступеней, примыкающих к камере отбора (КО). Это связано с окружной и радиальной неравномерностью параметров потока, сложным, нестационарным характером турбулентного течения в межступенчатом зазоре (МСЗ) и в КО [1;2]. Указанные факторы ведут к снижению экономичности работы и вибрационной надежности околоотборных ступеней (ОС).

Влияние конструктивных и режимных параметров на работу двухступенчатых отсеков с отбором рабочего тела (РТ), имеющее важное значение в рабочем процессе паровых турбин, до настоящего времени остается малоизученным, а в отдельных случаях носит противоречивый характер. Поэтому экспериментальные исследования влияния отбора РТ на структуру потока, экономичность и надежность отборных отсеков и использование их результатов для совершенствования теплофикационных паровых турбин являются достаточно актуальными и представляют практический интерес.

В статье обсуждаются результаты экспериментального исследования структуры потока в проточной части модели ОДО (рис.1). Конструкция отсека является широко распространенной в паровых теплофикационных турбинах отечественного и зарубежного производства. Модель ОДО состоит из моделей околоотборных ступеней средней верности без бандажа рабочих лопаток и КО между ними, выполненных в масштабе 1:4. Проточную часть КО отсека образуют три кольцевые камеры МСЗ и примыкающие к ним по внешней и внутренней границам камеры А и Б (камера А имеет два патрубка для отбора воздуха, симметрично расположенных относительно плоскости ). На входе в послеотборную ступень у корня направляющего аппарата 2 (НА2) установлен обтекатель длиной примерно 0,5. Основные конструктивные параметры моделей ступеней 1 и 2 представлены в таблице.

Таблица

Основные конструктивные параметры моделей ступеней

Исследования структуры потока в проточной части модели ОДО выполнялись на двухвальной воздушной турбине с индукторным тормозом [1]. Отбор воздуха из проточной части осуществлялся через расходомерное устройство в атмосферу, а выход воздуха из послеотборной ступени ОДО - непосредственно в атмосферу. Уровень начальных параметров воздуха перед опытной турбиной во всех опытах обеспечивал работу ОДО и его элементов в области автомодельности.

В процессе испытаний поток траверсировался пятиканальными аэродинамическими зондами в контрольных сечениях модели ОДО (при и=0°): в сечении 2-1 на расстоянии 5 мм от выходных кромок рабочих лопаток (РЛ) ступени 1 и в сечении 0-2 на расстоянии 7 мм от выходных кромок направляющих лопаток (НЛ) ступени 2 (рис.1). При этом использовалось специально спроектированное устройство [3].

Результаты траверсирования потока показаны (рис. 2, 3) в виде эпюр распределения параметров потока ,, и по радиусу в пределах длины лопаток. Здесь и - соответственно полное и статическое давления в точке измерения; и - углы, образованные вектором абсолютной скорости потока соответственно с радиальной (ru) и тангенциальной (uz) плоскостями (угол отсчитывается от отрицательного направления оси u; угол >00 означает течение с радиальной составляющей абсолютной скорости, направленной от центра к периферии, <00- от периферии к центру). Значки параметров потока указывают на их принадлежность к плоскостям измерений 0-1, 2-1 или 0-2 (рис.1).

Влияние расхода воздуха в отбор на распределение параметров потока по радиусу в МСЗ исследовалось при его относительных значениях ; 0,14; 0,26; 0,42 (здесь и - расходы воздуха через ступень 1 и в отбор соответственно). В этих опытах режимы работы ступеней 1 и 2 поддерживались постоянными при характеристических отношениях скоростей и , близких к соответствующим оптимальным (здесь u - окружная скорость на среднем диаметре рабочих колес (РК) 1 и 2; С0 - изоэнтропийная скорость в ступенях 1 и 2).

1. . Это безотборный режим работы ОДО. При этом режиме весь поток из предотборной ступени 1 поступает в послеотборную ступень 2. Он представляет собой кольцевую структуру в МСЗ, которая взаимодействует с массами воздуха в камерах А и Б. Эти массы находятся в сложном вихревом движении в обеих камерах в результате эжекционного действия сквозного потока , а во внутренней центральной камере Б, кроме этого, - под влиянием насосного эффекта вращающегося диска РК1 предотборной ступени 1.

Во входном сечении 2-1 МСЗ полное давление в средней части длины лопатки остается практически одинаковым (рис.2а, кривая 1). У периферии оно заметно возрастает вследствие протечек воздуха через радиальный зазор над безбандажными рабочими лопатками предотборной ступени 1. Некоторое повышение полного давления от середины длины лопатки к корню является, по-видимому, результатом воздействия вихревых масс в центральной камере Б. Эпюра полного давления перед послеотборной ступенью 2 по сравнению с эпюрой в ступени 2 несколько сглаживается (рис.2б, кривая 1). Из-за потери энергии на выравнивание структуры потока и потерь в пограничных слоях на внешней и внутренней границах кольцевой струи полное давление становится ниже .

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Статическое давление за предотборной ступенью остается постоянным по всей длине лопатки, хотя при практически осевом выходе из ступени 1 на её средней окружности в прикорневой области поток имеет значительную положительную закрутку () в периферийной половине длины лопатки (рис. 2, кривая 1). Вероятно, что возможное при закрутке (положительной или отрицательной) повышение давления по радиусу от центра к периферии, согласно уравнению радиального равновесия, в определенной степени компенсируется действием пониженного давления в замкнутой периферийной камере А, обусловленного эжектирующим эффектом от сквозного потока в МСЗ. Опыты показывают, что статическое давление перед послеотборной ступенью мало отличается от давления по величине и характеру распределения вдоль лопатки. поток турбина лопатка зазор

Результаты измерений углов потока и свидетельствует об идентичности их распределения по высоте лопатки при рассматриваемом режиме () (рис. 2а, б, кривые 1). Вместе с тем при малом различии их величин в корневой области сечения О-2 наблюдается более заметное отклонение от осевого направления, чем в сечении 2-1. Можно предположить, что этому способствуют вращающиеся вихревые массы воздуха, заполняющие камеру А и закрученные сквозным потоком .

Следует отметить некоторое различие эпюр распределения углов радиальных перетеканий и по длине лопатки (у корня , а ). Это обусловлено наличием обтекателя и разностью диаметров корневых обводов предотборной и послеотборной ступеней. Отмеченное свидетельствует об искривлении линий тока при пересечении потоком МСЗ и, следовательно, о возникновении потерь энергии, связанных с деформацией потока.

2. . Результаты этих опытов иллюстрируются на рис.2 кривыми 2, 3 и 4 соответственно. Они показывают, что с увеличением отбора полное и статическое давления в КО снижаются, так как в опытном ОДО отбираемый воздух вытекает через расходомерное устройство в атмосферу. Это обстоятельство несколько отличает условия опыта от натурных в паровых теплофикационных турбинах, где давление в КО поддерживается постоянным на заданном уровне с помощью автоматической системы регулирования. Тем не менее обсуждаемые результаты эксперимента вполне достоверны, ибо получены они при соблюдении условий моделирования и находятся в области автомодельности.

Анализируя эпюры распределения параметров в сечении = 00по длине лопатки при разных значениях , можно заметить их отличия от эпюр при безотборном режиме (рис.2; кривые 2, 3 и 4 отличаются от соответствующих кривых 1). В частности, с увеличением расхода в отбор несколько возрастает отрицательный радиальный градиент полного () и статического () давлений в МСЗ, а давление в камере А снижается. При этом уменьшается деформация эпюры полного давления , обусловленная протечками воздуха через радиальный зазор над торцами безбандажных рабочих лопаток, который удаляется из КО в отбор.

С увеличением расхода возрастают радиальные течения от корня к периферии, занимая всё большую часть длины у периферии лопатки, в плоскости 2-1 за предотборной ступенью и особенно в плоскости 0-2 перед послеотборной ступенью. Вместе с тем при приближении к корневой области влияние расхода на радиальные течения ослабевает и практически исчезает у корневого обвода проточной части.

В опытах не обнаружено сколько-нибудь заметного влияния отбора на направление выхода потока из предотборной ступени ()по сравнению с безотборным режимом. В то же время углы входа в послеотборную ступень уменьшаются. Это означает, что в периферийной области МСЗ направление потока приближается к осевому, а в прикорневой - наоборот (рис. 2б, кривые 3 и 4).

Влияние режима работы предотборной ступени 1 на структуру потока в МСЗ было исследовано траверсированием перед послеотборной ступенью 2 (сечение 0-2 при и-0°). Опыты проводились при наибольшем из исследованных значений относительного расхода воздуха в отбор и трех режимах работы ступени 1: режим 1- при отношении скоростей ; режим 2- ; режим 3- .

При этих режимах угол выхода потока из РК1 () на средней окружности был равен соответственно . Режим работы послеотборной ступени 2 в этой серии опытов поддерживался постоянным за счет частоты вращения автономного ротора ступени 2 при .

Результаты опытов представлены на рис.3. Из него отчетливо видно, что условия входа потока в послеотборную ступень 2 существенно зависят от режима работы предотборной ступени 1. Так, при отклонении отношения х1 ступени 1 от оптимального значения поток из РК1 выходит не в осевом направлении.

Наиболее заметные изменения претерпевают поля распределения угла входа потока в НА2. Если при режиме 1 поток в средней части длины лопатки имеет отрицательную закрутку, а у корня и периферии - положительную, то при режимах 2 и 3 по всей длине лопатки (особенно в периферийной области) наблюдается значительная отрицательная закрутка, т.е. значительное отклонение потока от осевого направления. Это приводит к большим положительным углам атаки, возникающим на входе в НА2. В связи с этим сопротивление ступени 2 возрастает, и статическое давление становится выше, чем при режиме 1. Отклонение вектора скорости с2-1 от оси z сопровождается его увеличением и соответствующим увеличением кинетической энергии. Поэтому полное давление при режимах 2 и 3 выше, чем при режиме 1 (рис.3, кривые 2, 3 и 1). Вместе с тем углы радиальных течений сравнительно мало зависят от режима работы ступени 1. В опытах отклонение угла не превышало ± 5о. Обращает на себя внимание разница углов , т.е. в МСЗ поток получает дополнительную закрутку, обусловленную эжектирующим действием потока в отборный патрубок.

Отмеченные изменения структуры потока в МСЗ при отклонении режима работы ступени 1 от оптимального вызваны взаимодействием потоков в МСЗ и камерах А и Б. В половине камеры А1 (от и=0° до и=180°) течение отбираемого воздуха в патрубок 1 совпадает с отрицательно закрученным сквозным потоком в МСЗ, а в половине камеры А2 (от и=180° до и=360° эти потоки имеют противоположные направления. Это приводит к перераспределению массы отбираемого воздуха по патрубкам отбора.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

При расход [4]. При , т.е. при осевом выходе из РК1, расходы и равны. При режимах опытным путем установлено, что .

Таким образом, представленный анализ результатов экспериментального исследования структуры потока в МСЗ модели ОДО при переменных режимах работы предотборной ступени и разных значениях расхода воздуха в отбор дает определенные представления об изменении условий течения рабочего тела в проточной части. Это позволяет конструктору теплофикационных паровых турбин обоснованно проектировать камеры отбора пара и лопаточные решетки околоотборных ступеней. Представленные результаты физического эксперимента необходимы при моделировании течения численными методами.

Список литературы

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

Голощапов, В.Н. Влияние конструктивных элементов проточной части на распределение параметров за направляющим аппаратом/ В.Н. Голощапов, Ю.В. Гречаниченко // Теплоэнергетика. - 1979. -№10.-С.53-57.

А.с.1716174 СССР. Установка для исследования параметров потока в отсеках турбин / И.Г. Гоголев, Р.В. Кузьмичев, А.А. Кочегаров, А.В. Осипов, В.А. Дьячков.- Зарег. в ГРИ СССР 01.11.91; Бюл. №8.

Гоголев, И.Г. Исследование пространственной структуры потока в камере отбора теплофикационной паровой турбины / И.Г. Гоголев, В.Т. Перевезенцев, А.В. Осипов, В.В. Тарасов// Теплоэнергетика.- 1979.- №3. -С.48-51.

Размещено на Allbest.ru