Совершенствование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для турбодетандерных электроустановок газораспределительных станций на основе экспериментальных методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Матвеев, Юрий Владимирович

• Матвеев, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвеев, Юрий Владимирович

Условные обозначения, индексы и сокращения.

У ведение.

Глава 1 Обзор и состояние развития современных малорасходных турбин.

1.1 Обзор малорасходных турбин

1.2 Обоснование применения мрт конструкции лпи.

Глава 2 Математическая модель расчёта сверхзвуковой одноступенчатой турбины конструкции лпи и моделирование турбинной ступени.

2.1 Математиская модель расчёта сверхзвуковой одноступенчатой турбины конструкции ЛПИ.

2.2 Алгоритм расчёта ступени газовой турбины.

2.3 Моделированиеступени турбины.

Глава 3 Численное моделирование аэродинамического поля потока в осевой турбинной ступени ЛПИ.

3.1 Метод численного моделирования.

3.2 Геометрия модельной турбины.

3.3 Построение геометрической модели.

3.4 Расчётная сетка.

3.5 Физические свойства рабочего тела.

3.6 Граничные условия.

3.7 Модель турбулентности.

3.8 Выполнение расчёта.

3.9. Анализ результатов расчёта.

3.10 Структура поля потока в сопловом аппарате.

3.11 Структура поля потока в рабочем колесе.

3.12 Окружной КПД ступени.

3.12.1 Характеристики соплового аппарата.

3.12.2 КПД ступени.

3.13 Оценка осевой силы.

3.14 Мощность модельной турбины.

3.15 Результаты численного моделирования аэродинамического поля потоков осевой турбинной ступени.

Глава 4 Экспериментальный стенд, экспериментальная установка, объекты исследования, методики проведения и обработки экспериментальных данных малорасходных турбин конструкции ЛПИ.

4.1 Объекты исследования.

4.1.1 Экспериментальная расширительная турбина конструкции ЛПИ осевого типа.

4.1.2 Расширительная турбина конструкции ЛПИ центростремительного типа.

4.2 Методика проведения и обработки экспериментальных данных.

4.2.1 Материально-техническая база для проведения модельных и натурных исследований

4.3 Методы измерения и приборы.

4.4 Обработка опытных данных.

4.4.1 Методика обработки опытных данных при определении коэффициентов потерь и других газодинамических параметров малорасходной турбины.

4.4.2 Оценка погрешности суммарных характеристик турбинных ступеней.

Глава 5 Результаты модельных исследований.

5.1 Результаты расчётных исследований.

5.2 Результаты экспериментального исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для турбодетандерных электроустановок газораспределительных станций на основе экспериментальных методов»

Малорасходные турбинные ступени широко применяются для привода вспомогательных агрегатов (насосов, генераторов и др.) в энергетических установках и системах бортовых источников питания космических и подводных аппаратов, в судовых турбинах заднего хода, агрегатах наддува двигателей внутреннего сгорания.

Требования надёжности, простоты и технологичности конструкции, массогабаритные и прочностные ограничения, малые объёмные расходы рабочего тела при высоких начальных параметрах обусловили применение в основном малорасходных турбин (МРТ). Практически во всех областях применения высокая экономичность в широком диапазоне режимов работы является обязательным условием.

В настоящее время редуцирование давления природного газа магистрального газопровода (МГ) (50. 70 бар) производится на газораспределительных станциях (ГРС) до давления, необходимого потребителю (3.12 бар), при этом, как правило, энергия сжатого газа не используется. Эту энергию сжатого газа можно использовать в микротурбодетандерных установках (МДГ) для выработки полезной мощности.

Для создания таких установок требуются малорасходные турбины, работающие при сравнительно малых объемных расходах и высоких начальных параметрах рабочего тела. Использование трансзвуковых и сверхзвуковых высокооборотных турбинных ступеней позволяет срабатывать в них большие теплоперепады энтальпий при сравнительно высокой экономичности, существенно сократить число ступеней турбины и повысить компактность всей установки в целом. Над созданием таких малорасходных турбин с высоким перепадом работают многие организации страны (МАИ, МЭИ, МГТУ, СПбГПУ, СПбМУ, НПИ, КЗТ и др.).

Выполненный анализ показал, что для создания микротурбодетандерных установок, рациональным является применение турбин конструкции ЛПИ, в которых устраняются парциальные потери, характерные для малорасходных турбин. Это обеспечивается малыми углами выхода потока из соплового аппарата, большими углами поворота и относительным шагом в лопатках рабочего колеса. При этом резко сокращается число лопаток, упрощается конструкция и технология изготовления турбины. Особенности кинематики таких турбин позволяют обеспечить их высокую надежность в условиях высокотемпературного и двухфазного рабочего тела. Такие турбины были предложены профессором И. И. Кирилловым в конце 60-х - начале 70-х годов прошлого века, а в дальнейшем конструктивно разработаны и исследованы на кафедре турбинных двигателей и установок под руководством профессора В.А. Рассохина в СПбГПУ в течение последних 20 лет.

Целью работы является разработка и экспериментальное исследование модельных турбин конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных генераторах для выработки электрической энергии на собственные нужды газораспределительных станций.

Для реализации цели работы были поставлены и решены следующие задачи: моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ; разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ;

- проведение численного эксперимента в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины;

- обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах;

- создание экспериментальной базы и методик проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

Научную новизну диссертационной работы составляют: параметры модельной малорасходной турбины для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ (Р0=0,247 МПа, Т0=320 К, п=26100 об/мин, G=0,067 кг/с);

- математическая модель номинального и переменного режимов работы МРТ, в диапазоне изменения параметров: 7tT = 2.5, MCi=1.2, Т0 = 288.350К;

- физическая 3-D модель течения в малорасходной турбине конструкции

ЛПИ;

- физическая структура течения рабочего тела в проточной части малорасходной турбины;

-характеристики модельной малорасходной турбины микротурбодетандерного генератора на номинальном режиме (/7 = 0,684, п=26100об/мин, и/Со=0,454, Тг=277К) и переменных режимах.

Практическая значимость: разработана методика расчета и проектирования МРТ для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ; разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ;

- получены характеристики турбины на номинальном и переменных режимах.

В первой главе приводится обзор и обоснование применения МРТ конструкции ЛПИ для использования в микротурбодетандерных генераторах. Проводится обзор факторов, влияющих на эффективность МРТ.

Во второй главе приводится математическая модель расчёта сверхзвуковых малорасходных одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ. Математическая модель состоит из следующих блоков: «Исходные данные», «Геометрическая модель МРТ», «Математическая модель газодинамических процессов в СА», «Модель утечек рабочего тела», «Математическая модель РК на активной дуге», «Математическая модель на неактивной дуге», «Модель внутренних потерь в МРТ», «Интегральные характеристики». Приводится моделирование натурной турбины.

Третья глава диссертации посвящена исследования особенностей структуры потока в проточной части турбинной ступени, применяется метод численного моделирования. Он позволяет получить информацию о структуре поля потока в ступени в дополнении к данным, полученным в натурных экспериментах или в экспериментах на модельной турбине.

В четвертой главе приводится описание экспериментального стенда, экспериментальной установки, объектов исследования и методики проведения и обработки экспериментальных данных.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования модельной турбины и их сравнение с расчётными данными.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении 1 приводятся сокращения, принятые во второй главе.

1. ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Матвеев, Юрий Владимирович

5. Результаты исследования модельной турбины

5.1. Результаты расчётных исследований модельной турбины

В ходе работы была рассчитана модельная турбина со следующими параметрами:

Р0=0,247МПа, Т0=320К, п=26100 об/мин, 0=0,067 кг/с.

Были рассчитаны номинальный и переменные режимы работы. Результаты приводятся ниже.

Влияние степени парциальности на 1ЧВН турбины, г|вн, термодинамическую степень реактивности и на расход в через турбину. Результаты расчётов приводятся в таблицах 5.1 и 5.2.

Заключение

1. В результате выполненной диссертационной работы разработаны и экспериментально исследованы модельные турбины конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных на следующие модельные параметры Р0=0,247 МПа, Т0=320 К, п=26100 об/мин, G=0,067 кг/с. Уровень КПД в варианте МРТ с РК без бандажа составил 59% при и/Со=0.45, а с РК с бандажом 67.5% при и/Со=0.455.

2. Выполнено моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ.

3. Разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ для диапазона изменения параметров щ = 2.5, Mci=1.2, ТО = 288.350К.

4. Проведён численный эксперимент в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины.

5. Выполнено обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах.

6. Разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ

7. Создана экспериментальная база и методика проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвеев, Юрий Владимирович, 2012 год

1. Бусурин В.Н., Головин Н.М., Рассохин В.А., Садовничий В.Н. Разработка и оптимизация паровых турбин ГПУ малой мощности на основе малорасходных ступеней ЛИИ. XXX Коллоквиум Техн. Университет. Дрезден. 1998

2. Бусурин В.Н., Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Исследование влияния открытого и закрытого осевых зазоров на эффективность и осевое усилие малорасходных турбинных ступеней. Отчёт ЛИИ, т.323152, Л., 1985, № гос. per. 0285.0038795

3. Бусурин В.Н., Иванов В.А., Рассохин В.А. Многоцелевые автономные энергетические установки малой мощности(статья). Теплоэнергетика №3, 1993

4. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Симашов P.P. Оптимальное проектирование многоцелевых , многорежимных, автономных энергетических установок // Тез. докл. Дальневосточной научн.-техн. конф. "проблемы транспорта Дальнего Востока". 1995. Владивосток. С.19.

5. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Высоконагруженные малорасходные ступени ЛПИ для перспективных турбоустановок. Сб. научных трудов. Исследование элементов теплоэнергетических установок. Изд БГТУ. Брянск. 1999

6. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Шемагин А.К., Головин Н.М. Многорежимная оптимизация автономных энергетических установок // Материалы научно-технической конференции МОП РФ и МАНВШ. 1997. Санкт-Петербург.

7. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Бенько A.B. Моделирование переменных режимов работы малорасходных турбин с большим относительным шагом// Тез. Докл. Юбилейной научн.-техн. Конф. "Инновационные наукоёмкие технологии для России". 1995., С.-Петербург., С.47.

8. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Бенько A.B. Моделирование и многорежимная оптимизация малорасходных турбин// Тез. докл. Юбилейной научн.-техн. конф. "Инновационные наукоёмкие технологии для России". 1995., С.-Петербург., С.39

9. Головин Н.М., Рассохин В.А., Садовничий В.Н. Принципы создания частей перспективных турбин на основе профилей ЛПИ с большим относительным шагом(тезисы). Тезисы докладов научно-техн. Конф. РАН, ОИВТ РАН Москва, 1997

10. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Аэродинамическое совершенствование проточных частей перспективных паровых и газовых турбин. Экспериментальное исследование решеток с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.323152,1984

11. Гринкруг JI.C., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Оптимальный относительный шаг турбинных решёток(статья). НИИинформ-энергомаш, № 267 ЭМ-85 ДЕП от 28.05.85

12. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование сверхзвуковых решеток профилей малорасходных турбин. Отчёт ЛПИ, т.323151, Л., 1987, инв. № 0287.0089569

13. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование турбин малой пропускной способности с большим относительным шагом(статья). Труды ЛПИ, №426, 1988

14. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Совершенствование высокоперепадных турбин с малым объёмным расходом рабочего тела(статья). НИИинформэнергомаш №71 ТМ-88 Деп. От 15.04.88

15. Гринкруг Л.С., Куприянов O.E. Средства и методы экспериментального исследования аэродинамических характеристик сверхзвукового облопачивания для турбинных ступеней на этапе отработки плоских решеток(статья). НИИинформэнергомаш №71 ТМ-88 Деп. От 15.03.88

16. Гринкруг Л.С., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Сверхзвуковой стенд для исследования плоских решеток профилей(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ» №351-88. 1988

17. Гринкруг Л.С., Ласкин A.C., Раков Г.Л., Рассохин В.А. Выбор основных оптимальных геометрических параметров малорасходных турбинных ступеней. Отчёт ЛПИ, т.323152, Л„ 1985, № гос. per. 0285.0057303

18. Кириллов И.И., Гринкруг Л.С., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Выбор оптимальных геометрических параметров осевых малорасходных турбин . // Тез.

19. Докл. Всесоюзной научно-технической конф.: Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение. 28-29 января 1987г. JL, 1987. -С. 118-119.

20. Кириллов И.И., Куприянов О.Е., Раков Г.Л., Рассохин В.А. Совершенствование высокоперепадных турбин с малым углом выхода потока из СА и большим относительным шагом лопаток рабочего колеса. НИИЭинформэнергомаш. №71 ТМ-88 Деп. От 15.04.88

21. Кириллов И.И., Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. Тема (тезисы). Тезисы докладов Всесоюзной конференции М., МАИ, 1981

22. Кириллов И.И., Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. Тема. Отчёт т.1222,1976

23. Кириллов И.И., Приеменко С.Б., Рассохин В.А., Родин К.Г. Исследование центростремительных турбинных ступеней с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.304201,1984

24. Кириллов И.И., Раков Г.Л., Рассохин В .А., Родин К.Г. Спец. тема .Отчёт ЛПИ, №.304201, Л, 1985, инв. № Н-2264

25. Кузнецов С.Е., Рассохин В.А., Соломахин Ю.В. Комплексный стенд для исследований и разделения потерь моделей одноступенчатых и биротативных турбин(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ», 1100-85

26. Медвинская В.П., Рассохин В.А., Родин К. Спец. Тема. Отчёт т.7900, 1977

27. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Отчёт т.3369, 1979

28. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. справка т.6166,1979169

29. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. Справка т.6166, этап2.1980

30. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. Справка т.6166, этап3.1981

31. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г., Шемагин А.К. «Информационный листок ЛенЦНТИ» 1978, N927

32. Рассохин В.А. Турбины конструкции ЛПИ: Преимущества, характеристики, опыт разработки и применение.

33. Рассохин В.А, Олейников С.Ю., Полищук В.Г., Бусурин В.Г., Раков Г.Л. Высокоэффективные малогабаритные паровые турбины для современных теплоэнергетических установок.

34. Рассохин В.А. Выбор параметров малорасходных турбин. Методические указания / СПбГТУ. СПб., 1997

35. Рассохин В.А., Раков Г.Л., Никитенко Е.Л., Фершалов Ю.Я., Смирнов К.А. Экспериментальный стенд для исследования малорасходных турбин при высоких степенях расширения // Информ. Листок ЛенЦНТИ. Л., 1990. №423-90. С.4

36. Рассохин В.А., Родин К.Г. и др. Новый экспериментальный стенд(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ», 1979, N85

37. Рассохин В.А., Фершалов Ю.Я. Сопловые аппараты с малым углом выхода // Труды ДВГТУ. Сер. 3. Кораблестроение и океанотехника. Владивосток, 1993. -Вып. 111.-С.75-78.

38. Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Черников В.А. Высоконагруженные ступени для перспективных паровых и газовых турбин (тезисы на немецком языке). XXX Коллоквиум Техн. Университет. Дрезден. 1998

39. Исследование и выбор направления проектирования модульной торпедной установки замкнутого цикла: Отчёт о НИР / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 6166/24/79; инв.№ Н-2994 с. - Д.: 1981. - 138 с.

40. Исследование высокотемпературных малорасходных турбин с большим относительным шагом лопаток рабочих колёс. Отчёт / ЛПИ; Руководитель темы В.А. Рассохин. 304605, Л.: 1989. 194 с.

41. Изыскание путей создания сверхлёгкой паротурбинной установки полностью замкнутого цикла для малогабаритных МГТ. Отчёт / ЛПИ. Руководитель темы Л.В. Арсеньев № 304604, 1988. - 337 с.

42. Разработка и экспериментальные исследования турбинного двигателя на перспективных топливах: Отчёт о НИР / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 30420ІЖ Инв. № Н-2264с. - Л.: 1985. - 360 с.

43. Совершенствование высокоперепадных турбин с малыми объемными расходами рабочего тела./ Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Ленингр. политехи, ин-т. Л., 1988.-12 с.-Деп. В ЦНИИЭМ

44. Экспериментальные исследования решеток профилей с большим относительным шагом: Отчёт / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 323152; Инв. № 0284.0054811. Л., 1984. - 67 с.