Автореферат (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин)

18ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыНесмотря на накопленный опыт проектирования и эксплуатации, остаетсяострая необходимость в повышении эффективности и надежности основногооборудования ТЭС и АЭС.Значительные резервы повышения эффективности и надежности имеются впроточных частях паровых турбин работающих на влажном паре, вособенности в областях последних ступеней ЦНД.

При этом характер течениясреды в этом участке проточной части изучен недостаточно. В первую очередьэто связано с наличием дискретной среды в потоке влажного пара, чтоприводит к интенсификации сложных процессов термодинамического имеханического межфазового взаимодействия. Имеющиеся на данный моментрезультаты экспериментальных и численных исследований влажнопаровыхпотоков позволили получить подробные фундаментальные представления оприроде межфазовых взаимодействий.

Однако прикладное применение этихзнаний к конкретным инженерным задачам порой оказывается невозможным.Одной из основных задач, до конца не изученных на данный момент,является вопрос образования и движения крупных эрозионно-опасных капель вмежосевом зазоре турбины. Для полного анализа эффективности мероприятийпо повышению надежности лопаточного аппарата последних ступеней ЦНД(сепарация жидких пленок из проточной части, использование новейшихматериалов и наплавок и так далее) необходимы знания о траекториях ихарактеристиках капель вдоль них (коэффициенты скольжения, направлениедвижения, размеры). Активное развитие экспериментальных подходовисследования (системы лазерной диагностики, пневмометрических иоптических измерений), а также совершенствование численных методоврешения задач механики сплошных сред (совместно с ростом вычислительныхвозможностей компьютеров и кластеров) создают благоприятные предпосылкидля более детального изучения особенностей течения двухфазнойконденсирующейся среды.

Применение корреляционного метода PIV (ParticleImage Velocimetry), интегрированного в систему лазерной диагностики,позволяет определять поля скоростей дискретных частиц в потоке.Использование этих данных позволит экспериментально выявить траекториикрупных капель в межлопаточном зазоре и определить их основныехарактеристики.

Однако на данный момент подобные методики не применялисьдля исследования влажно паровых потоков.Цель работыРазработка и реализация экспериментально обоснованной методикиопределения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементахпроточных частей турбомашин с использованием системы лазернойдиагностики. При этом решались следующие задачи:1. Разработать эффективную методику применения системы лазернойдиагностики для определения скоростных характеристик крупных капель впотоке.12.

Настроить и проверить математическую модель влажнопаровых потоковдля обеспечения получения корректных данных о параметрах паровой фазыпри наличии крупнодисперсной влаги в потоке.3. Разработать и верифицировать методику бесконтактного определениясредних размеров крупных капель вдоль их траекторий, основываясь наэкспериментально определенных полях скоростей жидкой фазы и данных опаровом потоке, полученных методом математического моделирования.4. Апробировать разработанные методы и подходы при исследованииструктуры капельного потока за изолированной сопловой решеткой иопределить влияние режимных параметров на распределение основныххарактеристик частиц жидкой фазы.Научная новизнаРазработан метод применения системы лазерной диагностики дляисследования характеристик жидкой фазы при течении влажно парового потокав проточных частях турбомашин.Разработана бесконтактная расчетно-экспериментальная методикаопределения средних размеров капель.Впервые экспериментально были определены характерные траекториидвижения крупных капель и распределение их основных параметров засопловой решеткой.Проведена модификация расчетных моделей CFD кода Ansys Fluent дляматематического описания влажного пара.Получены обобщающие характеристики эрозионно-опасных капель засопловой решеткой, которые подробно описывают особенности их движения вэтой области.Практическая ценностьРазработанная методика может быть использована при изучениидвижения двухфазной среды в проточных частях паровых турбин.Полученные экспериментальные данные о движении крупных капель засопловой решеткой могут быть использованы при анализе условий натеканиячастиц дискретной фазы на входные кромки рабочих лопаток.Данные о характеристиках крупнодисперсной влаги могут бытьиспользованы при проектировании ступеней турбин.Полученные экспериментальные данные могут быть использованы приверификации математических моделей движения влажно паровых потоков.Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается проведениемтестовых испытаний в изученной области изменения параметров длясопоставления полученных по разработанным методикам результатов срезультатами ранее проведенных исследований с применением аттестованныхизмерительных устройств и апробированных методик измерений.Автор защищает1.Методику применения системы лазерной диагностики и метода PIV дляисследования влажно паровых потоков.22.Экспериментально-расчетную методику бесконтактного определениясредних размеров капель в потоке влажного пара.3.Результаты экспериментальных исследований структуры капельногопотока и характеристик эрозионно-опасных частиц жидкой фазы заизолированной сопловой решеткой.Апробация работыОсновные результаты настоящей работы докладывались на следующихнаучно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:1.Международные научно-технические конференции студентов иаспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», ФГБОУ ВПО«НИУ МЭИ», Москва, 2009-2013 г;2.Power System Engineering, Termodynamics & Fluid Flow ES 2010.Department of power system engineering faculty of mechanical engineeringuniversity of Bohemia.

Pilsen. 2010;3.3-я конференция молодых специалистов инженерно-технических службОАО «СИЛОВЫЕ МАШИНЫ». ОАО «Силовые машины». Санкт-Петербург.2012 г;4.Baumann Centunary Wet Steam Conference. Cripps Court conference centre,Magdalene College. Cambridge. 2012;5.Научный семинар НЦ «Газодинамика», ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».Москва. 2013.Реализация результатов работыРезультаты работы используются в учебном процессе кафедры паровых игазовых турбин Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего профессионального образования «Национальныйисследовательский университет МЭИ»ПубликацииПо результатам диссертационной работы было опубликовано 4 научныестатьи, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 7докладов на научно-технических конференциях.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и спискалитературы, изложена на 211 страницах машинописного текста, содержит 124рисунка, 3 таблицы и библиографию из 139 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении рассмотрены направления перспективных исследованийтечения влажнопаровых потоков в проточных частях турбомашин.В первой главе представлен обзор литературы, посвященный особенностямдвижения дискретной фазы в последних ступенях турбомашин, методамэкспериментального исследования параметров дискретных частиц, влияниюразличных режимных параметров на характеристики жидкой фазы в межосевомзазоре ступени, источникам образования крупнодисперсных капель впроточной части турбины.

Рассмотрен PIV (Particle Velocimetry Tracking)3метод, интегрированный в систему лазерной диагностики потоков. Онпозволяет определять мгновенные поля скоростей трассеров, движущихся впотоке. Обзор литературы показал, что система лазерной диагностики дляисследования движения дискретных фаз, после некоторых доработок, можетбыть использована для комплексного изучения параметров полидисперсногопотока. В отличие от ранее применяемых точечных методов, PIV методпозволяет получить распределение основных параметров капель в плоскости.По итогам обзора литературы были сформулированы задачи и поставлены целидля данной работы.Во второй главе приводится описание комплексной методикиэкспериментального измерения параметров влажно парового потока вэлементах проточных частей турбомашин, а также рассматривается процессматематического моделирования течения двухфазной среды в CFD коде AnsysFluent 14.Исследования проводились на экспериментальном пародинамическомстенде КВП – 2, позволяющем исследовать течение перегретого, насыщенногои влажного пара в элементах протонных частей турбомашин при различныхскоростях потока.

Рабочее тело для исследований берется из отбора паровойтурбины ТЭЦ МЭИ и в перегретом состоянии поступает на экспериментальныйстенд. Для изменения начального состояния пара от перегретого донасыщенного, используются две ступени увлажнения. Они снижаюттемпературу перегрева путем впрыска охлаждающей питательной воды.Формирование полидисперсного влажнопарового потока осуществляется засчет пародутьевых форсунок, установленных в баке-ресивере стенда КВП-2.Они впрыскивают питательную воду в паровую среду, находящуюся всостоянии насыщения. Тем самым образуются частицы дискретной фазы,среднемассовый размер которых составляет 25 – 30 мкм. Путем изменениярасхода воды, поступающей в ступени увлажнения и пародутьевые форсунки,производится регулирование начального состояния пара. Подготовленныйтаким образом влажно паровой поток поступает в исследуемый канал, послечего направляется в конденсатор и возвращается в технологический цикл ТЭЦ.Изменение режима течения производилось посредством регулированиядавления полного торможения в баке-ресивере перед исследуемым объектом ивеличины вакуума, поддерживаемого в конденсаторе.В качестве штатных систем измерения, на стенде КВП-2 использовались:Измерительно-вычислительныйкомплексMIC-300M,которыйпредназначен для регистрации, сбора, обработки и представления данных опневмометрических параметрах парового потока (давление, температура).

Этасистема в настоящей работе используется для измерения температуры полноготорможения и статического давления. Измерения температуры полноготорможения среды в баке-ресивере производится посредством термопарыКТХК02.01-С10-И-1,0-1000/2000 (хромель – капель), а для определенияраспределения статического давления на поверхностях исследуемых каналовприменялся парокоммутатор ИДК-16.4Теневойавтоколлимационныйприбор ИАБ-451, который предназначендля визуализации волновой структурысверхзвукового потока сплошной среды(скачков уплотнения и конденсации).Регистрацияизображенияпроизводилась посредством скоростнойвидеокамеры Видеоспринт-G6 (5000кадров в секунду) и фотокамерыВидеоскан-285-2001 (8 кадров всекунду).Система лазерной диагностикиРис.

1. Система лазерной диагностики потоков«ПОЛИС»,которая«ПОЛИС»использовалась для определения полейскоростей жидкой фазы посредствоминтегрированного в нее алгоритма PIV. Поток, в котором присутствуюттрассеры, два раза с заданным интервалом времени освещается плоскимлазерным лучом, сформированным сдвоенным импульсным лазером.Засвеченныекаплифотографируютсяскоростнойфотокамерой.Корреляционный алгоритм PIV, определяя смещение капель на втором кадре поотношению к первому, рассчитывает мгновенное поле скоростей капель вплоскости лазерного ножа.