Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий

Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий

Описана методика проектирования осевых проточных частей турбин. Методика основана на использовании методов аналитического описания геометрий проточных частей и газодинамических расчетов различной сложности. Описание геометрии проточных частей выполняется с помощью методов аналитического профилирован...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Проблемы машиностроения
Date:2015
Main Authors: Русанов, Р.А., Лампарт, П., Русанов, А.В., Пащенко, Н.В.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2015
Subjects:
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99205
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий / Р.А. Русанов, П. Лампарт, А.В. Русанов, Н.В. Пащенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 16-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99205
record_format dspace
spelling Русанов, Р.А.
Лампарт, П.
Русанов, А.В.
Пащенко, Н.В.
2016-04-24T15:54:52Z
2016-04-24T15:54:52Z
2015
Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий / Р.А. Русанов, П. Лампарт, А.В. Русанов, Н.В. Пащенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 16-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
0131-2928
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99205
621.165:532.6
Описана методика проектирования осевых проточных частей турбин. Методика основана на использовании методов аналитического описания геометрий проточных частей и газодинамических расчетов различной сложности. Описание геометрии проточных частей выполняется с помощью методов аналитического профилирования, исходными данными для которых служит ограниченное число параметрических величин. Для учета термодинамических свойств рабочего тела используется интерполяционно-аналитический метод аппроксимации уравнений состояния воды и водяного пара формуляции IAPWS-95. Модель 3D турбулентного течения реализована в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программ FlowER и FlowER-U. Результаты расчетов, полученные с помощью программного комплекса IPMFlow, обладают необходимой достоверностью как по качественной структуре течения, так и по количественной оценке характеристик изолированных турбинных решеток и проточных частей турбомашин в целом. Представлены несколько вариантов проточных частей теплофикационной турбин электрической мощностью до 5 МВт и тепловой мощностью до 10 МВт. Конструкция проточных частей предназначена для работы круглый год – во время отопительного сезона они могут работать в режиме обогрева (теплофикация), либо в конденсационном режиме с максимальной эффективностью генерации электроэнергии. Газодинамическая эффективность разработанных проточных частей турбин является достаточной для энергетических машин подобного рода.
Описано методику проектування осьових проточних частин турбін, що ґрунтується на використанні методів аналітичного опису геометрії проточних частин і газодинамічних розрахунків різної складності. Наведено декілька варіантів проточних частин теплофікаційних турбін електричною потужністю до 5 МВт і тепловою потужністю до 10 МВт. Газодинамічна ефективність розроблених проточних частин турбін є достатньою для енергетичних машин подібного роду.
The method for the design of axial flow turbine parts is described. The method is based on the use of methods of analytical describing of the geometry of the flow parts and gas-dynamic calculations of varying complexity. Geometry description of flow parts is performed using analytical methods profiling, initial data which is used a limited number of parameter values. To account for thermodynamic properties of the working medium an analytical interpolation method is used for approximating equations of the formulation IAPWS-95. 3D turbulent flow model is realized in the program complex IPMFlow, developed based on the earlier codes FlowER and FlowER-U. The results of computations obtained from the code IPMFlow have the necessary reliability in the qualitative structure of the flow and in the quantitative characteristics of the isolated turbine cascades and turbine as a whole. Several types of flow parts of cogeneration turbine with electric power up to 5 MWe and thermal power up to 10 MWt are presented. Designs of flow parts are intended to operate year-round - during the heating season they can be operated in the heating mode (extraction), while in the off-season in condensing mode with the maximum efficiency in the production of electricity. Gas-dynamic efficiency of the developed turbine flow parts is adequate for the power machines of this kind.
ru
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
Проблемы машиностроения
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
Development of flow parts of cogeneration turbines with a capacity of 2.5 and 5 MW using modern computer technology
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
spellingShingle Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
Русанов, Р.А.
Лампарт, П.
Русанов, А.В.
Пащенко, Н.В.
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
title_short Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
title_full Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
title_fullStr Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
title_full_unstemmed Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий
title_sort разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 мвт с использованием современных компьютерных технологий
author Русанов, Р.А.
Лампарт, П.
Русанов, А.В.
Пащенко, Н.В.
author_facet Русанов, Р.А.
Лампарт, П.
Русанов, А.В.
Пащенко, Н.В.
topic Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
topic_facet Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
publishDate 2015
language Russian
container_title Проблемы машиностроения
publisher Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
format Article
title_alt Development of flow parts of cogeneration turbines with a capacity of 2.5 and 5 MW using modern computer technology
description Описана методика проектирования осевых проточных частей турбин. Методика основана на использовании методов аналитического описания геометрий проточных частей и газодинамических расчетов различной сложности. Описание геометрии проточных частей выполняется с помощью методов аналитического профилирования, исходными данными для которых служит ограниченное число параметрических величин. Для учета термодинамических свойств рабочего тела используется интерполяционно-аналитический метод аппроксимации уравнений состояния воды и водяного пара формуляции IAPWS-95. Модель 3D турбулентного течения реализована в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программ FlowER и FlowER-U. Результаты расчетов, полученные с помощью программного комплекса IPMFlow, обладают необходимой достоверностью как по качественной структуре течения, так и по количественной оценке характеристик изолированных турбинных решеток и проточных частей турбомашин в целом. Представлены несколько вариантов проточных частей теплофикационной турбин электрической мощностью до 5 МВт и тепловой мощностью до 10 МВт. Конструкция проточных частей предназначена для работы круглый год – во время отопительного сезона они могут работать в режиме обогрева (теплофикация), либо в конденсационном режиме с максимальной эффективностью генерации электроэнергии. Газодинамическая эффективность разработанных проточных частей турбин является достаточной для энергетических машин подобного рода. Описано методику проектування осьових проточних частин турбін, що ґрунтується на використанні методів аналітичного опису геометрії проточних частин і газодинамічних розрахунків різної складності. Наведено декілька варіантів проточних частин теплофікаційних турбін електричною потужністю до 5 МВт і тепловою потужністю до 10 МВт. Газодинамічна ефективність розроблених проточних частин турбін є достатньою для енергетичних машин подібного роду. The method for the design of axial flow turbine parts is described. The method is based on the use of methods of analytical describing of the geometry of the flow parts and gas-dynamic calculations of varying complexity. Geometry description of flow parts is performed using analytical methods profiling, initial data which is used a limited number of parameter values. To account for thermodynamic properties of the working medium an analytical interpolation method is used for approximating equations of the formulation IAPWS-95. 3D turbulent flow model is realized in the program complex IPMFlow, developed based on the earlier codes FlowER and FlowER-U. The results of computations obtained from the code IPMFlow have the necessary reliability in the qualitative structure of the flow and in the quantitative characteristics of the isolated turbine cascades and turbine as a whole. Several types of flow parts of cogeneration turbine with electric power up to 5 MWe and thermal power up to 10 MWt are presented. Designs of flow parts are intended to operate year-round - during the heating season they can be operated in the heating mode (extraction), while in the off-season in condensing mode with the maximum efficiency in the production of electricity. Gas-dynamic efficiency of the developed turbine flow parts is adequate for the power machines of this kind.
issn 0131-2928
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99205
citation_txt Разработка проточных частей теплофикационных турбин мощностью 2,5 и 5 МВт с использованием современных компьютерных технологий / Р.А. Русанов, П. Лампарт, А.В. Русанов, Н.В. Пащенко // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 16-26. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT rusanovra razrabotkaprotočnyhčasteiteplofikacionnyhturbinmoŝnostʹû25i5mvtsispolʹzovaniemsovremennyhkompʹûternyhtehnologii
AT lampartp razrabotkaprotočnyhčasteiteplofikacionnyhturbinmoŝnostʹû25i5mvtsispolʹzovaniemsovremennyhkompʹûternyhtehnologii
AT rusanovav razrabotkaprotočnyhčasteiteplofikacionnyhturbinmoŝnostʹû25i5mvtsispolʹzovaniemsovremennyhkompʹûternyhtehnologii
AT paŝenkonv razrabotkaprotočnyhčasteiteplofikacionnyhturbinmoŝnostʹû25i5mvtsispolʹzovaniemsovremennyhkompʹûternyhtehnologii
AT rusanovra developmentofflowpartsofcogenerationturbineswithacapacityof25and5mwusingmoderncomputertechnology
AT lampartp developmentofflowpartsofcogenerationturbineswithacapacityof25and5mwusingmoderncomputertechnology
AT rusanovav developmentofflowpartsofcogenerationturbineswithacapacityof25and5mwusingmoderncomputertechnology
AT paŝenkonv developmentofflowpartsofcogenerationturbineswithacapacityof25and5mwusingmoderncomputertechnology
first_indexed 2025-11-25T21:40:35Z
last_indexed 2025-11-25T21:40:35Z
_version_ 1850555338585014272
fulltext АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 16 1 Р. А. Русанов, 1 П. Лампарт, д-р техн. наук 2 А. В. Русанов, чл.-кор. НАН Украины 2 Н. В. Пащенко, канд. техн. наук 1 Институт проточных машин им. Р. Шевальского ПАН, г. Гданьск, Польша, e-mail: lampart@imp.gda.pl, rrusanov@imp.gda.pl 2 Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua Ключові слова: теплофікаційна турбіна, чисе- льний метод, регулюючий ступінь, парціальний підвід, поворотна діафрагма. УДК 621.165:532.6 РАЗРАБОТКА ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ТУРБИН МОЩНОСТЬЮ 2,5 И 5 МВТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Описано методику проектування осьових проточних частин турбін, що ґрунтується на використанні методів аналітич- ного опису геометрії проточних частин і газодинамічних розрахунків різної складності. Наведено декілька варіантів проточних частин теплофікаційних турбін електричною потужністю до 5 МВт і тепловою потужністю до 10 МВт. Газодинамічна ефективність розроблених проточних час- тин турбін є достатньою для енергетичних машин подібно- го роду. Введение В настоящее время для повышения энергоэффективности различных процессов и производств широко применяются турбины различных типов относительно малой мощности, в частности паровые теплофикационные турбины, предназначенные для утилизации высокого потенциала пара перед его использованием для отопления. В случае если начальные параметры пара для таких турбин относительно высокие, то основной проблемой при их создании является обеспечение приемлемых значений внутреннего КПД проточных частей. Это связано с малыми габаритами турбин в области цилиндра высокого давления. Для решения данной задачи необходимо применение современных компьютерных технологий, в том числе CFD. В статье описана методика проектирования осевых проточных частей турбин, основанная на использовании методов различных уровней сложности от 1D до 3D. Также представлены два варианта осевых проточных частей паровых теплофикационных турбин. Первый вариант турбины разработан для электрической мощности 2,5 МВт и тепловой мощности 5 МВт, второй – для электрической мощности 5 МВт и тепловой мощности 10 МВт. 1. Методика проектирования и газодинамических расчетов проточных частей турбин Проектирование проточной части турбины осуществляется в несколько этапов: расчет основ- ных геометрических характеристик с помощью одномерных методик; построение 3D геометрии про- точной части; 3D расчеты и доводка проточной части. Расчет основных геометрических характеристик проточной части по одномерной ме- тодике проводится на основе решения одномерных уравнений [1]: сохранения массы; сохранения ротальпии (следствие закона сохранения энергии); потерь кинетической энергии. Также одномерные уравнения дополняются соотношениями для треугольников скоростей в решетке. Поиск геометрических характеристик ступени ведется среди большого количества вариантов варьируемых параметров с учетом основных конструктивных и режимных ограничений: − режимные параметры: свойства рабочего тела (константы уравнения Таммана), граничные усло- вия (параметры на входе и выходе); − режимные и конструктивные ограничения: реактивность ступени, высота лопатки, угол входа по- тока в рабочее колесо (РК) в относительном движении, угол выхода потока из РК в абсолютном движении, максимальное число Маха; − варьируемые параметры: радиусы средних сечений на входе и выходе из РК, угол выхода потока из направляющего аппарата (НА) в абсолютном движении, угол выхода потока из РК в относи-  Р. А. Русанов, П. Лампарт, А. В. Русанов, Н. В. Пащенко, 2015 АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 17 тельном движении, отношение площадей поперечных сечений на входе и выходе из РК, частота вращения. В результате расчета получаются основные гео- метрические и газодинамические характеристики ступени исходя из условия достижения максимального значения мощности: углы и скорости потока в абсолютном и отно- сительном движениях; средние радиусы межлопаточных каналов; высоты лопаток; средние значения всех термо- динамических величин; частота вращения (если был за- дан диапазон ее изменения); мощность ступени. Построение 3D геометрии проточной части Для построения геометрии лопаточного венца осевой проточной части используется метод параметри- зации и аналитического профилирования лопатки [2]. Ло- патка задается произвольным набором плоских профилей, каждый из которых рассматривается в декартовой систе- ме координат с осью абсцисс, параллельной оси турбины, и осью ординат, совпадающей с фронтом решетки (рис. 1). Профиль описывается входной и выходной кром- ками, а также кривыми спинки и корытца. Входная и вы- ходная кромки являются окружностями, а кривая спинки – многочленом 5-го порядка и корытца – многочленом 4- го порядка вида const,)( 5 0 ==∑ = i i i i axaxy ; (1) const,)( 4 0 ==∑ = i i i i axaxy . (2) Исходными данными для задания решетки профилей являются: bx – ширина профиля; α1 – скелетный угол решетки на входе; t – шаг решетки; α2ef – эффективный угол выхода потока; r1 – ра- диус входной кромки; r2 – радиус выходной кромки; ∆α1, ∆α2 – углы «заострения» входной и выход- ной кромок; α2ск – угол «скоса» спинки, α2со = α2s + α2ск; 1сп, 2сп, 1кор, 2кор – точки сопряжения входных и выходных кромок с кривыми спинки и корытца (рис. 1). Коэффициенты кривой (1), описывающей спинку, рассчитываются итерационно из соотноше- ний           α=′ = α=′ = ′′=′′ α∆+α=′ }tg{)( )( )(tg)( )( }{)( )tg()( 2сп2сп сп2сп2сп cосп сп 0,спсп1сп 11сп1сп s O OO xy yxy xy yxy yxy xy . (3) Варьируемыми параметрами для соотношений (3) являются α2s и 0,спy ′′ , подбор которых дол- жен обеспечить заданную величину горла решетки O, а также минимальное значение максимальной кривизны на множестве кривых (1). Величина горла определяется по заданным значениям шага ре- шетки и эффективному углу O = tcosα2ef. Рис. 1. Решетка профилей АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 18 После определения кривой спинки и вписывания входной и выходной кромок итерационно рассчитываются коэффициенты кривой (2) для корытца с использованием соотношений          α=′ = ′′=′′ α∆−α=′ = cxy yxy yxy xy yxy 2кор2кор кор2кор2кор 0,коркор1кор 11кор1кор кор1кор1кор tg)( )( }{)( )tg()( )( , (4) где x1сп, y1сп, x2сп, y2сп – координаты касания кривой корытца с окружностями входной и выходной кромок, которые определяются по заданному углу α1 – ∆α1 на входной кромке и варьируемому углу α2s на выходной кромке. Угол α2с выбирается в интервале αсо и α2s таким образом, чтобы обеспечить минимальное значение максимальной кривизны кривой корытца (рис. 2), либо задается α2s – ∆α2. Метод 3D расчета течения Для численного исследования течений использовался программный комплекс IPMFlow, ко- торый является развитием программных комплексов FlowER [3] и FlowER-U [4]. В нем реализованы следующие элементы математической модели: осредненные по Рейнольдсу нестационарные уравне- ния Навье-Стокса, двухпараметрическая дифференциальная модель турбулентности SST Ментера, неявная квазимонотонная ENO-схема повышенной точности. Для учета реальных свойств рабочего тела используется интерполяционно-аналитический метод аппроксимации уравнений IAPWS-95 [5, 6]. Результаты расчетов, полученные с помощью программного комплекса IPMFlow, обладают необходимой достоверностью как по качественной структуре течения, так и по количественной оцен- ке характеристик изолированных турбинных решеток и проточных частей турбомашин в целом [7, 8]. 2. Тепловой расчет и разработка 3D геометрии проточной части паровой турбины мощностью 2,5 МВт Турбина проектировалась при следующих параметрах граничных условий: полное давление на входе 40 бар, полная температура на входе 723 К, расход пара на входе 2,72 кг/с, расход пара в от- боре (на теплофикационном режиме) 2,45 кг/с, давление на выходе (в конденсаторе) 0,1 бар. Начиная с первой ступени, расчет проводился с помощью методик, описанных выше. Перепад на ступень вы- бирался максимально возможным (с учетом выбора оптимального значения величины u/c для такого теплоперепада и степени реактивности первых ступеней до 15%) при условии дозвукового течения в зазорах (M < 0,9). После расчета первой ступени полученные на выходе значения потока брались как параметры потока на входе во вторую ступень. Такая процедура повторялась для всех последующих ступеней, пока не были достигнуты параметры на выходе турбины (табл. 1). Таблица 1. Геометрические характеристики проточной части № ступени Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 парциальность 0,5 1 1 1 1 1 1 1 α0, град 0 0 0 0 0 0 0 0 α1, град 83 83,1 80 80 78 78 78 78 β1, град 78,597 78,017 72,147 69,266 65,435 65,873 65,625 36,694 β2, град –75,6 –75,2 –69,6 –71,16 –67 –67,02 –66,66 –69 α2, град –4,699 0,093 –1,457 2,823 4,053 0,11 –0,451 2,632 rср, мм 240 210 210 212 300 307 330.5 368 L, мм 8,581 8,003 8,027 11,673 8,972 19,033 50,489 125,075 АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 19 Меридиональное сечение НА 1 РК 1 НА 2 РК 2 НА 3 РК 3 НА 4 РК 4 НА 5 РК 5 НА 6 РК 6 НА 7 РК 7 НА 8 РК 8 Рис. 2. Вид проточной части, спроектированной с помощью 3D методики АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 20 Для доводки проточной части, спроектированной с помощью 1D методики, с использованием программного комплекса IPMFlow был выполнен поступенчатый расчет проточной части. Расчет произведен для сетки с суммарным числом ячеек в одной ступени более 1 млн (около 500 тыс. ячеек в одном венце). После получения конечной геометрии проточной части проведен расчет каждого ци- линдра турбины с использованием «таблиц состояния» пара (IAWPS-95). На рис. 2 представлен вид спроектированной с помощью 3D методики проточной части. Для обеспечения работы турбины как в конденсационном, так и в теплофикационном режи- мах направляющий аппарат 7-й ступени выполнен с поворотной диафрагмой. На рис. 3 представлена визуализация течения в последних двух ступенях на конденсационном режиме работы. Видно, что картина течения благоприятная, практически отсутствуют отрывы пото- ка. На рис. 4 и 5 показана визуализация течения в 7-й ступени при двух «крайних» положениях диафрагмы, соответствующих теплофикационному режиму работы турбины. В табл. 2 представлены основные интегральные результаты расчетов. Суммарная мощность проточной части составила 2,82 МВт, а КПД 86,03 %. НА 7 РК 7 НА 8 РК 8 Рис. 3. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 21 Таблица 2. Интегральные характеристики проточной части № ступени Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 G, кг/с 5,44*0,5 2,72 2,72 2,72 2,72 2,72 2,72 2,72 P1, кПа 2211,18 1447,07 894,314 638,76 300,484 118,519 32,568 16,434 T1, K 639,798 621,836 556,103 521,468 451,578 377,605 356,698 342,445 P2, кПа 2000 1366,52 867,958 600 259,328 100 27,442 10 T2, K 633,295 607,746 555,328 515,715 439,904 372,756 353,956 332,335 c1, м/с 562,098 403,515 449,35 368,945 531,298 527,696 609,893 410,391 c2, м/с 151,047 69,756 90,297 73,98 146,466 123,666 143,164 138,21 w1, м/с 339 208,746 256,35 179,384 260,976 251,283 311,869 131,839 w2, м/с 367,247 248,063 258,203 228,824 329,334 326,969 364,936 397,009 α2, град –63,353 –39,456 –33,588 –14,752 –9,985 –6,5 –8,951 –7,609 N, Вт 419188 243784 267936 208378 412645 408017 495801 368293 Ρ, % 13,68 14,21 6,17 15,79 16,11 15,81 11,76 44,54 ξ, % 16,93 16,61 14,53 14,2 10,55 6,96 10 8 η, % 82,32 83,28 85,01 85,35 82,61 90,19 86,32 92 НА 7 РК 7 Рис. 4. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении (-0,45 шага) НА 7 РК 7 Рис. 5. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении (0,45 шага) АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 22 3. Тепловой расчет и разработка 3D геометрии проточной части паровой турбины мощностью 5 МВт Турбина проектировалась при следующих параметрах граничных условий: полное давление на входе 60 бар, полная температура на входе 773 К, расход пара на входе – 4,75 кг/с, расход пара в отборе (на теплофикационном режиме) 4,27 кг/с, давление на выходе (в конденсаторе) 0,1 бар. Начи- ная с первой ступени, расчет проводился с помощью методик, описанных выше. Перепад на ступень выбирался максимально возможным (с учетом выбора оптимального значения величины u/c для тако- го теплоперепада и степени реактивности первых ступеней до 15%) при условии дозвукового течения в зазорах (M<0,9). После расчета первой ступени полученные на выходе значения потока брались как параметры потока на входе во вторую ступень. Такая процедура повторялась для всех последующих ступеней, пока не были достигнуты параметры на выходе турбины (табл. 3). Таблица 3. Геометрические характеристики проточной части № ступени Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 парциальность 0,5 1 1 1 1 1 1 1 1 α0, град 0 0 0 0 0 0 0 20 0 α1, град 81 81 81 80 79 78,5 78,5 78 78 β1, град 75,436 74,078 73,817 71,488 67,456 63,982 61,171 53,348 –4,856 β2, град –72 –69,6 –70,4 –69,6 –68,1 –67,4 –65,94 –66,3 –69,72 α2, град –5,839 17,12 11,484 3,476 12 17,296 34,29 9,803 6,077 rср, мм 251 210 211,7 213,3 300 300 305 380 420 L, мм 8,042 8,239 11,477 14,44 12,76 22,69 42,908 68,364 180,013 Для доводки проточной части спроектированной с помощью 1D методики, с использованием программного комплекса IPMFlow был выполнен поступенчатый расчет проточной части. Расчет произведен для сетки с суммарным числом ячеек в одной ступени более 1 млн (около 500 тыс. ячеек в одном венце). После получения конечной геометрии проточной части проведен расчет каждого ци- линдра турбины с использованием «таблиц состояния» пара (IAWPS-95). На рис. 6 представлен вид спроектированной с помощью 3D методики проточной части. Для обеспечения работы турбины как в конденсационном, так и в теплофикационном режи- мах направляющий аппарат 8-й ступени выполнен с поворотной диафрагмой. На рис. 7 представлена визуализация течения в последних двух ступенях на конденсационном режиме работы. Видно, что картина течения благоприятная, практически отсутствуют отрывы пото- ка. На рис. 8 и 9 показана визуализация течения в 8-й ступени при двух «крайних» положениях диафрагмы, соответствующих теплофикационному режиму работы турбины. В табл. 4 представлены основные интегральные результаты расчетов. Суммарная мощность проточной части составила 5,585 МВт, а КПД 88,22 %. АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 23 Меридиональное сечение НА 1 РК 1 НА 2 РК 2 НА 3 РК 3 НА 4 РК 4 НА 5 РК 5 НА 6 РК 6 НА 7 РК 7 НА 8 РК 8 НА 9 РК 9 Рис. 6. Вид проточной части, спроектированной с помощью 3D методики АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 24 НА 8 РК 8 НА 9 РК 9 Рис. 7. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении НА 8 РК 8 Рис. 8. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении (-0,45 шага) АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 25 Таблица 4. Интегральные характеристики проточной части № ступени Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G, кг/с 9,51*0,5 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 4,75 P1, кПа 3157,3 2105,7 1358,2 932,65 480,22 229,09 114,04 43,12 17,58 T1, K 676,64 652,56 599,22 555,76 501,05 428,45 376,49 350,79 330,27 P2, кПа 2900 1916,91 1274,31 859,0 418,98 203,66 100,0 29,51 10,0 T2, K 672,01 641,56 593,37 548,04 487,87 418,86 372,76 341,86 319,03 c1, м/с 596,39 422,51 417,5 387,91 510,74 485,90 445,35 515,97 396,04 c2, м/с 163,65 118,90 88,81 88,81 104,99 98,11 111,91 139,52 160,05 w1, м/с 365,67 228,55 223,76 193,6 238,54 216,29 173,10 181,26 140,13 w2, м/с 385,90 304,88 266,57 257,99 325,36 287,54 258,33 368,66 411,14 α2, град -58,89 -57,4 -41,8 -31,5 -16,22 7,42 27,53 9,38 13,02 N, Вт 854,38 495,2 451,97 415,33 716,67 625,15 529,35 840,19 656,36 Ρ, % 10,95 21,47 14,26 19,49 17,62 14,79 16,79 28,25 47,06 ξ, % 15,86 12,28 16,87 13,37 9,41 10,17 7,09 5,59 10,04 η, % 83,42 87,63 82,82 87,24 90,83 89,84 90,49 87,81 93,59 Выводы С помощью методики расчета и профилирования получены два варианта проточных частей турбин, в которых практически отсутствуют отрывные течения на конденсационном режиме работы, низкий уровень потерь кинетической энергии и относительно высокая газодинамическая эффектив- ность. Суммарная механическая мощность первого варианта проточной части составила 2,8 МВт, по- тери кинетической энергии равны 11,7 %, а КПД – 86,0 %. Для второго варианта проточной части эти характеристики соответственно равны: 5,6 МВт, 10,9 %, 88,2 %. Литература 1. Щегляев, А. В. Паровые турбины / А. В. Щегляев. – М.: Энергия, 1976. – 358 с. 2. Русанов, А. В. Метод аналитического профилирования лопаточных венцов проточных частей осевых турбин / А. В. Русанов, Н. В. Пащенко, А. И. Косьянова // Восточ.-Европ. журн. передовых технологий. – 2009. – № 2/7(38). – С. 32–37. 3. А. с. Комплекс програм розрахунку тривимірних течій газу в багатовінцевих турбомашинах «FlowER» / С. В. Єршов, А. В. Русанов. – Державне агентство України з авторських та суміжних прав, ПА № 77; 19.02.96. – 1 с. НА 8 РК 8 Рис. 9. Векторы скорости в среднем тангенциальном сечении (0,45 шага) АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 26 4. Русанов, А. В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях турбомашин / А. В. Русанов, С. В. Ершов. – Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2008. – 275 с. 5. IAPWS, Revised Release on the IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. – Available from: http://www.iapws.org. 6. Русанов, А. В. Моделирование 3D течений в протонной части ЦНД паровой турбины с использованием сис- темы уравнений термодинамических свойств воды и водяного пара IAPWS-95 / А. В. Русанов, П. Лампарт, Н. В. Пащенко // Авиац.-косм. техника и технология. – 2012. – № 7(94). – С. 107–113. 7. Lampart, P. Validation of 3D RANS Solver With a State Equation of Thermally Perfect and Calorically Imperfect Gas on a Multi-Stage Low-Pressure Steam Turbine Flow / P. Lampart, A. Rusanov, S. Yershov // J. of Fluids Eng. – 2005. – Vol. 127. – P. 83–93. 8. Lampart, P. Increasing flow efficiency of high-pressure and low-pressure stream turbine stages from numerical op- timization of 3D blading / P. Lampart, S. Yershov, A. Rusanov // Eng. Optimization. – 2005. – Vol. 37. – P. 145– 166. Поступила в редакцию 21.08.15 А. В. Бойко, д-р техн. наук А. П. Усатый, д-р техн. наук Д. И. Максюта Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, e-mail: anatoli- boiko@yahoo.com, alpaus@ukr.net, studkolo@gmail.com Ключові слова: вісерадіальне ущільнен- ня, коефіцієнт витоки ущільнення, ме- тодика оцінки якості ущільнення. УДК 621.165 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОСЕРАДИАЛЬНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБИН Проведено серію тривимірних CFD розрахунків для визначення за- лежності коефіцієнта витрати вісерадіального ущільнення від зміни його геометричних та режимних параметрів. Побудовано формальну макромодель підвищеної точності, яка дозволяє, зада- вшись відомим набором параметрів, визначити коефіцієнт витра- ти та розрахувати реальну витрату робочого тіла через ущіль- нення. Враховано вплив теплового розширення ротора на коефіці- єнт витрати в ущільненні. Створено спеціальну комп’ютерну про- граму для зручності користування даною методикою. Введение Потери, связанные с наличием протечек через радиальные надбандажные уплотнения, обычно учитываются при расчете эффективности всей ступени [1]. При этом коэффициент расхода через уп- лотнения часто оценивался с помощью формулы Стодолы [2], в которой используются эмпирические величины, существенно зависящие от конкретной формы уплотнения. В последнее время в мощных паровых турбинах все чаще используются осерадиальные уплотнения. Однако надежных эмпириче- ских зависимостей для оценки коэффициента расхода уплотнений такого вида нет. Целью данного исследования является разработка инженерной методики для расчета осера- диальных уплотнений, которая позволяет определить коэффициент расхода через уплотнения с уче- том влияния на него как геометрических и режимных параметров, так и смещения усиков уплотне- ния, вызванного тепловым расширением проточной час- ти. Постановка задачи В качестве объекта исследования выбрано осера- диальное надбандажное уплотнение 3-й ступени цилинд- ра высокого давления одной из мощных паровых турбин. Общий вид уплотнения представлен на рис. 1. Варьируемыми параметрами были выбраны 10 величин (таблица, рис. 2). Диапазоны варьирования и ис- ходные значения параметров сведены в табл. 1.  Бойко А. В., Усатый А. П., Максюта Д. И., 2015 Рис. 1. Общий вид исследуемого осерадиального уплотнения

Similar Items