Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 6

На рисунке 14 представлена конструкция решетки с ребрами и показаны результаты моделирования течения в межлопаточных каналах с гладкими и оребренными торцевыми поверхностями. Сравнение результатов моделирования свидетельствует, что размеры образовавшихся двух парных вихревых шнуров вблизи торцевых стенок уменьшаются при организациидвухстороннего оребрения в канале, сокращая концевые потери энергии в решетке.а) конструкция оребренной б) результаты моделирования в) результаты моделированиятурбинной решеткитечения в гладком каналетечения в оребренном каналеРисунок 14 – Конструкция турбинной решетки с оребренными торцевыми поверхностями ирезультаты моделирования течения в межлопаточном каналеДля определения рациональной конструкции были разработаны и исследованы реберныесистемы различных конфигураций. Исследование размера ребер показало, что их высотадолжна быть не более 2 мм с тем, чтобы не превышать толщину пограничного слоя (увеличение высоты привело к снижению эффективности оребрения).

Исследовались решетки с различными вариантами формы и схем расположения ребер на торцевой поверхности. Результатыисследований приведены на рисунке 15 в виде кривых распределения локальных коэффициентов потерь энергии по высоте рассматриваемой решетки.Относительная высота профиля2110,80,60,40,200,000,050,10Коэффициент потерь в решетке0,15Одиночное треугольное реброОдно цельное (прямоугольное) и одно кусочное (прямоугольное) реброОдно цельное (треугольное) и одно кусочное (треугольное) реброОдиночное прямоугольное реброРисунок 15 – Распределение коэффициента потерь по высоте решеткиПоказано, что применение ребер треугольной формы с отношением высоты ребра к ширине, равном 4, позволяет добиться максимального эффекта и сократить потери от вторичныхтечений на 6,7 %. Результаты, полученные на основе численного моделирования, были подтверждены экспериментальными исследованиями на специально созданном стенде для испытания моделей плоских решеток турбомашин.Сокращение металлоемкости и повышение экономичности энергоустановки возможноосуществлять не только за счет совершенствования высокотемпературной части.

Большие резервы скрыты в низкотемпературной части мощных паровых турбин, а именно в сокращенииудельной металлоемкости и совершенствовании аэродинамики цилиндров низкого давления,в том числе за счет повышения пропускной способности путем применения двухъярусныхпроточных частей. Для этого разработано и проанализировано три варианта конструктивнойреализации ЦНД с двухъярусной проточной частью, отличающиеся схемой подвода рабочеготела, и проведено их сравнение. Показано, что наиболее эффективной с аэродинамическойточки зрения является приведенная на рисунке 16а компоновка с пятью ступенями в нижнемярусе, тремя ступенями в верхнем ярусе и независимым подводом пара (КПД 86,6 %).

Предлагаемая конструкция цилиндра имеет осевую площадь выхлопа 16,5 м2, что соответствуетувеличению его пропускной способности на 45 % по сравнению с традиционным одноярусным исполнением ЦНД с лопаткой последней ступени длиной 1200 мм.Для практической реализации рассматриваемого варианта предложено вместо традиционной диафрагмы первой ступени применить диафрагму оригинальной конструкции с направляющим аппаратом только в нижнем ярусе (рисунок 16б). Нижний ярус диафрагмы состоит издиска 1, внешнего обвода 2, между которыми установлены сопловые лопатки первой ступенинижнего яруса 3 двухъярусного ЦНД.

Внешний обвод нижнего яруса диафрагмы является корневым обводом для второго яруса. Между обводами 2 и 4 с угловым шагом, не превышающим5°, радиально устанавливаются перфорированные ребра 5, являющиеся аэродинамическимифильтрами, обеспечивающими выравнивание неравномерного входного поля скоростей и снижающие амплитуду пульсаций давления в потоке пара перед первой ступенью верхнего ярусаЦНД. Сопловые лопатки нижнего яруса и перфорированные плоские ребра верхнего ярусажестко связаны с диском 1 и обводами, образуя тем самым единую жесткую неразборную конструкцию с горизонтальным разъемом, как у диафрагм традиционной конструкции.22а) проточная частьб) диафрагма первой ступениРисунок 16 – Конструктивная схема проточной части двухъярусного ЦНДВажным параметром при формировании двухъярусной проточной части является соотношение количества лопаток верхнего и нижнего ярусов.

В предлагаемой конструкции ЦНД вторая и третья двухъярусные ступени выполняются с одинаковым числом лопаток в нижнем иверхнем ярусах. Малые высоты лопаток верхнего яруса этих ступеней не вызывают большихрастягивающих напряжений в корневых сечениях нижнего яруса, несмотря на дополнительную нагрузку в виде разделительной полки. Ситуация меняется для последней двухъяруснойрабочей лопатки предпоследней ступени ЦНД длиной 1155 мм и увеличенным количествомпрофилей в верхнем ярусе по сравнению с нижним для снижения потерь от веерности.

Двухъярусная рабочая лопатка предпоследней ступени является ключевым элементом, определяющим надежность всей проточной части.При разработке двухъярусной лопатки проведено моделирование различных вариантовконструкции c двумя и тремя профилями в верхнем ярусе, варьировались толщина и формамежъярусной полки, а также форма хвостовика. В результате лучшие характеристики как аэродинамические, так и прочностные показал вариант с двумя профилями.

Общая длина двухъярусной лопатки в предпоследней ступени равна 1155 мм, высота лопатки нижнего яруса повыходной кромке – 701 мм, а высота лопатки верхнего яруса – 434 мм. Внутренний относительный КПД предпоследней ступени нижнего яруса составляет 87,6 %, последней ступениверхнего яруса – 77 % (с учетом потерь с выходной скоростью). С применением методов математического моделирования проведены исследования прочностного и вибрационного состояния двухъярусных рабочих лопаток, выполненных из двух конструкционных материалов –нержавеющей стали 20Х13 и титанового сплава ВТ-6.

Установлено, что применение титанаобеспечивает трехкратный запас прочности конструкции, в то время как в лопатке из нержавеющей стали максимальные напряжения близки к пределу прочности материала. Конструкция лопатки и результаты прочностного анализа представлены на рисунке 17.Наряду с конструктивной разработкой новой «вильчатой» лопатки были рассмотрены вопросы, связанные с технологией ее изготовления: разработан технологических процесс, программа для станков с ЧПУ, изготовлен демонстрационный образец рабочей лопатки. Такимобразом, экспериментально доказана технологическая возможность изготовления «вильчатой» лопатки.В силу конструктивных особенностей двухъярусной проточной части организовать регенеративный отбор пара можно только из верхнего яруса после его первой и второй ступени срасходом 8,3 кг/c, что составляет в относительном выражении 17-20 % от расхода пара в верхнем ярусе.

На основе полученных результатов моделирования течения в межступенчатом зазоре установлено, что указанная величина отбора пара приводит к возникновению окружнойи радиальной неравномерности параметров потока на входе в послеотборную ступень, вызывая снижение ее экономичности.23а) конструкция двухъярусной лопаткиб) распределение напряженийРисунок 17 – Двухъярусная «вильчатая» рабочая лопаткаДля снижения влияния отбора пара на аэродинамическую эффективность послеотборныхступеней верхнего яруса предложено усовершенствовать конструкцию отбора путем установки в межступенчатом зазоре аэродинамического отсекателя, обеспечивающего снижениенеравномерности параметров потока.

С применением методов математического моделирования проведены исследования влияния конструктивного исполнения отсекателя на течение рабочей среды в межступенчатом зазоре, в результате которых установлено, что отсекатель, полностью перекрывающий осерадиальную отборную щель от области основного потока и конструктивно выполненный заодно с внешним обводом послеотборной ступени, обеспечиваетминимальный уровень неравномерности.

Уменьшение асимметрии структуры потока привелок сокращению потерь энергии и росту аэродинамической эффективности послеотборной ступени, КПД которой при установке отсекателя предложенной конструкции увеличился с 76 до81 %.Применение двухъярусных проточных частей в цилиндрах низкого давления приводит кнеобходимости создания новых решений для выхлопных патрубков, конструкция которыхопределяет как эффективность и надежность работы всей паровой турбины, так и габаритныеразмеры цилиндров.

Для исследования влияния конструктивной схемы патрубка двухъярусного ЦНД на его аэродинамическую эффективность разработана расчетная модель и проведено моделирование пространственной структуры течения. На основе полученных в ходе моделирования результатов показано, что конструкция диффузорного патрубка с установкойдиффузора с отрицательной перекрышей и с разделением внутреннего пространства специальными вставками на выхлопные отсеки верхнего и нижнего ярусов проточной части турбины, откуда отработавший пар независимо поступает в отсеки конденсатора, позволяет обеспечить коэффициент полных потерь энергии на уровне ζп = 0,99, что на 40 % ниже по сравнению с бездиффузорным вариантом (ζп = 1,68).

Конструкция двухъярусного ЦНД с выхлопнымпатрубком представлена на рисунке 18. Проведенное сравнение основных габаритных размеров ЦНД современных мощных турбомашин и двухъярусного цилиндра показало, что переходк двухъярусной проточной части не ведет к увеличению высоты и ширины патрубка, а увеличение пропускной способности патрубка достигается за счет расширения патрубка верхнегояруса, который располагается в пределах длины нижнего яруса, что обеспечивает сохранениеосевых размеров ЦНД при увеличении его пропускной способности и мощности, аналогичныхЦНД традиционной конструкции.24Рисунок 18 – Продольный разрез двухъярусного ЦНДДля выхлопного патрубка осерадиальной конструкции характерно развитое вихревое движение рабочей среды в корпусе, что влечет за собой уменьшение эффективной проходной площади.