Аэродинамические методы повышения экономичности и надежности элементов тепломеханического оборудования ТЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Зарянкин, Владислав Аркадьевич

• Зарянкин, Владислав Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зарянкин, Владислав Аркадьевич

Введение.

1. Вихревое движение идеальной вязкой жидкости.

1.1. Вихревое движение идеальной жидкости.

1.2. Возникновение вихрей в реальной жидкости.

2. Особенности течения жидкости в некоторых элементах теплотехнического оборудования ТЭС.

2.1. Особенности движения жидкости в шиберных задвижках.

2.2. Движение сред в трубопроводных системах.

2.3. Особенности течения пара в выхлопных патрубках паровых турбин.

2.4. Аэродинамические проблемы патрубков теплообменных аппаратов.

2.5. Вихревые течения в решетках профилей турбомашин.

2.6. Картина течения пара в регулирующих клапанах паровых турбин.

2.7. Постановка задачи исследования.

3. Разработка и исследование технических вихрегасителей.

3.1. Экспериментальный стенд и методика эксперимента.

3.2. Исследуемые модели вихрегасителей.

3.3. Результаты исследования вихрегасителей.

3.4. Исследования и оценка оптимального расстояния между шибером и пластинчатым вихрегасителем.

4. Совершенствование теплотехнического оборудования путем гашения вихревого движения.

4.1. Конструктивная разработка новых регуляторов расхода шиберного типа.

4.2. Промышленные испытания нового шиберного регулятора расхода со щелевым вихрегасителем.

4.2.1. Общая характеристика проблемы.

4.2.2. Методика испытаний клапана рециркуляции.

4.2.3. Результаты расходных испытаний нового клапана рециркуляции.

4.2.4. Результаты вибрационных испытаний нового регулятора расхода в промышленных условиях.

4.3. Использование противовихревых решеток в выхлопных патрубках паровых турбин.

4.4.0 снижении вихревого движения в решетках профилей турбомашин.

5. Гидроаэродинамическое совершенствование патрубков РВП и прямоугольных тройников трубопроводов.

5.1. Исследование и совершенствование газовоздушного тракта РВП-98.

5.1.1. Результаты исследования патрубка подвода горячих газов к поверхности теплообменника.

5.1.2. Результаты исследования патрубка подвода холодного воздуха.

5.2. Исследование и разработка новых конструкций прямоугольных тройников для сетевых трубопроводов.

5.2.1. Экспериментальная установка и объекты исследования.

5.2.2. Результаты исследования тройников.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аэродинамические методы повышения экономичности и надежности элементов тепломеханического оборудования ТЭС»

Проблема повышения надежности и экономичности теплотехнического оборудования тепловых электростанций всегда актуальна, независимо от достигнутого уровня развития расчетных методов, методов экспериментальных исследований, технического совершенствова производства и степени автоматизации процессами управления.

Однако, по мере повышения общего технического уровня резко снижаются возможности повышения экономичности и надежности оборудования, так как сокращаются неиспользованные резервы его совершенствования. В этих условиях традиционные решения уже не могут дать ощутимых результатов, либо эти результаты достигаются за счет очень больших материальных затрат.

По указанным причинам в предлагаемой работе сделана попытка поиска нетрадиционных решений, позволяющих без крупных дорогостоящих конструктивных изменений добиться конкретных практических результатов.

В предшествующих работах [1,2,3] уже указывалось, что проблема надежности во многих случаях прямо связана с характером течения потока в каналах, устройствах и установках, причем особо отмечались отрицательные последствия отрыва потока от стенок с последующим образованием дискретных вихревых образований.

Подобные течения характеризуются ярко выраженным нестационарным изменением всех параметров потока не только в зоне отрыва, но и в областях, расположенных до него. При этом резко возрастают динамические нагрузки на все элементы конструкции, где возникают указанный вид течения. Насколько велики могут быть эти нагрузки можно судить по исследованиям пульсаций давлений в клапанной коробке мощной паровой турбины, проведенной в работе [4], где их абсолютная амплитуда достигала 2,5 МПа при начальном давлении пара 24 МПа.

Отсюда ясно, что во многих случаях проблема динамической надежности не может быть решена без решения сугубо аэродинамических задач, направленных на стабилизацию течения в каналах различной формы. При этом одновременно решается и задача экономичности оборудования.

Рассматривая возможные пути стабилизации потока, все объекты можно разделить на две группы. К первой относятся каналы, где вихревое движение является неизбежным следствием функциональных свойств этих каналов.

Вторая группа объединяет проточные части установок с отрывным характером течения, обусловленным либо ошибками проектирования, либо заданными условиями компоновки.

В первом случае речь может идти либо об ослаблении интенсивности вихревого движения, либо о разрушении уже сложившегося движения. Соответственно здесь главным образом решается задача снижения динамических нагрузок, а суммарный эффект по величине потерь энергии может быть как положительный, так и отрицательный.

Во втором случае главным образом решается проблема экономичности, а повышение надежности является следствием снижения энергетических потерь.

В представленной работе, состоящей из 5 глав, рассматриваются как общие аспекты решения отмеченных задач, так и конкретные решения для ряда объектов теплотехнического оборудования.

При этом следует отметить некоторые особенности представленной работы.

Во - первых, проблеме разрушения вихревого движения в научной литературе уделено весьма мало внимания и здесь по существу можно сослаться только на работу И.Е. Идельчика [16], где для стабилизации вихревого движения использовались плоские сетки. Отсюда традиционный обзор опубликованных работ заменен обзором типов вихревого движения в конкретных установках.

Во - вторых, в связи с разнотипностью исследованных объектов и использованием для измерений стандартной аппаратуры вопросы измерений и обработки опытных данных разнесены по соответствующим разделам диссертации.

Структурно диссертация состоит из пяти глав.

Первая глава посвящена общим закономерностям вихревого движения в идеальной и реальной жидкостях, где подчеркивается особая роль вихревых ядер, вызывающих нарушения сплошности течения и являющихся главной причиной возникновения низкочастотных пульсаций в потоке.

Во второй главе рассматриваются особенности течения жидкости в шиберных задвижках, регулирующих клапанах, выхлопных патрубках, патрубках регенеративных воздухоподогревателей, тройниках, решетках профилей турбомашин.

Указываются, что во всех рассматриваемых случаях генерируется развитое вихревое движение с дискретными вихрями или вихревыми шнурами, резко снижающими надежность установок и их экономические показатели.

В третей главе основное внимание уделено разработке и исследованию вихре-гасителей, способных с наименьшими потерями рассеивать уже сложившиеся вихревые структуры. Как показали проведенные исследования, в качестве такого вихрега-сителя наиболее целесообразно использовать пластинчатые и щелевые решетки, определенным образом ориентированные по отношению к вихревым структурам.

Конкретные принципы использования указанных вихрегасителей составляют содержание четвертой главы. В качестве объектов, где использование противовихре-вых решеток или мер, снижающих интенсивность вихревого движения, привело к существенному положительному эффекту, рассматривается новая шиберная задвижка, способная работать как регулятор расхода, выхлопные патрубки и решетки профилей турбомашин. Во всех рассмотренных случаях удалось существенно (для шиберных задвижек в 10 раз) снизить уровень вибрации при одновременном снижении потерь энергии.

Пятая глава работы посвящена мерам предотвращения возникновения вихревого движения в патрубках регенеративного вращающегося воздухоподогревателя и в прямоугольных тройниках.

Проведенные исследования и разработанные на их основе меры позволили практически равномерно распределить теплоносители по поверхности регенератора, снизить сопротивление прямоугольных тройников и уменьшить в два раза виброперемещения трубопроводов, примыкающих к тройникам.

Вся работа выполнялась на кафедре Паровых и газовых турбин МЭИ и на ТЭЦ-26 АО "Мосэнерго", сотрудникам которых автор выражает искреннею благодарность за большую помощь при выполнении настоящей работы.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Зарянкин, Владислав Аркадьевич

Заключение

1. Проведенный анализ характера течения в объектах различного функционального назначения, показали, что общим для всех них является развитое вихревое движение, вызывающее повышенные энергетические потери, увеличение гидравлического сопротивления и повышенную вибрацию как самих установок, так и примыкающих к ним трубопроводов.

2. Практически все установки, где имеет место движение жидких или газообразных сред, можно разделить по принципу генерации вихревого движения на две группы.

К первой группе следует отнести объекты, где генерация вихревого движения жидкости обусловлена отрывом потока от гладких поверхностей, что связано в основном с неудачным конструкторским решением или вызвано компа-новачными ограничениями плоскостей течения.

Вторая группа объединяет объекты, где вихревое движение обусловлено физическими причинами и является неизбежным следствием проявления физических законов.

Соответственно и меры борьбы с вихревым движением должны соответствовать причинам, вызывающим это движение.

3. В результате исследования различных сетчатых и пластинчатых вихрегасителей установлено, что для разрушения крупных вихревых образований для практических целей наиболее целесообразно применять решетку параллельных пластин, установленных с шагом 1=0,1 - 0,15Ь (где Ь -характерный линейный размер поперечного сечения канала) на относительном расстоянии 1 от источника вихреобразования равном / -ИЪ- 0,22 + 0,3.

4. Использование пластинчатых вихрегасителей в разработанной шиберной задвижке, предназначенной для регулирования расхода обратной сетевой воды на ТЭЦ-26 АО "Мосэнерго", позволило снизить вибрацию в напорном трубопроводе в 10 - 11 раз по сравнению с обычной задвижкой без вихрегасителя.

Применение разработанных пластинчатых вихрегасителей в выходных патрубках паровых турбин не только обеспечило снижение вибрации на корпусе патрубка в 3 - 3,5 раза, но и обеспечило некоторое снижение потерь энергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зарянкин, Владислав Аркадьевич, 2000 год

1. Зарянкин А.Е., Чериоштан В.И. "Аэродинамические принципы проектирования регулирующих клапанов паровых турбин" Теплоэнергетика №1 1997.

2. Шалхуб Т.В. "Разработка методики расчета потерь в диффузорных каналах турбомашин с оценкой влияния вибрации стенок на эти потери" Автореферат диссертации М. 1986.

3. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. "Новые регулирующие клапана паровых турбин, их характеристики и опыт эксплуатации" Теплоэнергетика 1996 №1 с. 18 22.

4. Куменко А.И. "Совершенствование расчетно-экспериментальных методов исследования динамических характеристик турбоагрегатов и их элементов" Автореферат диссертации М. МЭИ 1999 с. 38.

5. Мельников А.П. "Основы теоретической аэродинамики" ЛКВВИА 1953 817 с.

6. Фабрикант Н.Я. "Аэродинамика" Наука М. 1964 814 с.

7. Аржаников Н.С., Мальцев В.Н. "Аэродинамика" Оборонгиз 1952.

8. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. "Теоретическая гидромеханика" Госиздательство ТТЛ М. 1955.

9. Дейч М.Е. "Техническая газодинамика" Энергия М. 1974.

10. Ю.Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Гидрогазодинамика" Энергоиздат 1984.

11. П.Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин" Энергия М. 1970.

12. Арматура энергетическая. Каталог АО "Чеховский завод энергетического машиностроения" ЦНИИ информации М. 1997.

13. Благов Э.Е., Ивницкий Б.Я. "Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС" Энергоатомиздат 1990.14. "Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости" Под общей редакцией Гольдштейна С. ГИ ИЛ М. 1948 406 с. т. 1,2.

14. Маджирски В. "Хидродинамика" Техника София 1979.

15. ИдельчикИ.Е. "Гидравлическое сопротивление" Госэнергоиздат 1954.

16. Повх И.Л. "Техническая гидромеханика" Машиностроение Л. 1976.

17. Nippert H. Uber den strommungsverlust in gekrumten kanalen, Forschungsarbeiten anf d. Geb. d. ing. wes. 1929, h. 320.

18. Фадеев И.П. "Физическая картина течения пара в выхлопном патрубке судовой паровой турбины" Научно-технический информационный бюллетень ЛПИ 1958 №10.

19. Касилов В.Ф., Денисов В.Н., Зин Еддин X. "Исследование средств стабилизации течения в каналах выходных патрубков цилиндров низкого давления паровых турбин" Вестник МЭИ №3 1994.

20. Касилов В.Ф., Денисов В.Н. "Эффект запирания выходных патрубков ЦНД паровых турбин" Теплоэнергетика 1993 №2 с. 46 49.22.3арянкин А.Е., Жилинский В.П. "О кризисных явлениях в выхлопных патрубках" Известия ВУЗ "Энергетика" №4 1977.

21. Мигай В.К., Гудков Э.И. "Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин" Машиностроение JI. 1981.

22. Жилинский В.П. "Исследование выхлопных патрубков паровых турбин при около звуковых скоростях на входе" Автореферат диссертации. М. МЭИ 1978 23 с.

23. Шабан Ф. Автореферат кандидатской диссертации М. МЭИ 1993.

24. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е., Филипов Г. А., Зацепин М.Ф. "Метод повышения КПД ступеней турбин с малыми высотами лопаток" Теплоэнергетика №2 1960.

25. Зарянкин А.Е. "Концевые потери в сопловых аппаратах радиальных турбин" Известия АН СССР ОТН Энергетика и автоматика №2 1960.

26. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Повышение эффективности турбинных активных решеток малой высоты" Теплоэнергетика №8 1960.

27. Майорский Е.В., Филипенко В.А. "О влиянии входных участков сопловых профилей на вторичные перетекания" Вестник МЭИ №3 1994.

28. Singh G., Walker P. Y., Haller B.R. Development of short Height stages. Proc. Lst. Conference on "Turbomachinery Fluid Dynamic and Thermodynamic Aspects" -Erlanger 1995 - p. 1/9.

29. Тапшпа T., Nagao S., Sakamoto T., Kawasakis S. Aerodynamic development of advanced steam turbine blades PWR Joint Power generation Conference ASME - (p. 367/374) Proc. 1995

30. Дейч M.E., Самойлович Г.С. "Основы аэродинамики осевых турбомашин" Машгиз 1959.

31. Дейч М.Е. "К вопросу о концевых потерях в направляющих каналах паровых турбин" Советское котло-турбостроение №6 1945.

32. Singh G. "Development of Three-Dimensional Stage Viscous Time Marching Method for Optimisation of Short Height Stages" GEC Alsthom.

33. Богомолов E.H., Лебедев B.B. "Визуальные исследования пространственного пристеночного течения на входе в турбинную решетку" Известия ВУЗ. Энергетика 1988 №4 с. 64 68.

34. Дейч М.Е., Дейлер Ш., Коршуюв Б.А. "Экспериментальное исследование сопловой решетки с уменьшенными концевыми потерями" Теплоэнергетика 1994 №10 с. 39-42.

35. Фролов В.В. " Совершенствование проточной части цилиндра сверхзвукового давления турбин высоких параметров пара " Теплоэнергетика. 1996 №10 с. 75-77.

36. Робожев А.В. "К вопросу снижения потерь давления в регулирующих клапанах паровых турбин" Тр. МЭИ 1963 Вып. 47 с. 117 127

37. Камырин Б.И. "О характере движения пара в клапанной коробке" Энергомашиностроение 1959 №11 с. 38-41.

38. Дмитриев С.С. "Исследование характеристик турбулентного пограничного слоя в связи с отрывом в диффузорном канале" Вестник МЭИ 1994 №3 с. 11 15.

39. Прандтль Л. "Гидроаэродинамика"

40. Шлихтинг Г. "Теория пограничного слоя" М. Наука 1969.

41. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Г. "Аэродинамика отрывных течений" М. Высшая школа. 1988 348с.

42. Лойцянский Л.Г. "Механика и жидкости и газа" М. Наука 1979.

43. Прандтль Л., Титьенс О. "Гидроаэромеханика" ч. 1 ОНГИ 1932.

44. Грибин В.Г. "Разработка методов повышения эффективности диффузорных элементов турбомашин" Автореферат кандидатской диссертации МЭИ 1984.

45. Самарин A.A. "Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения" М. Энергия 1979. 288 с.

46. Прохаевко Л.С. "Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия" Автореферат диссертации Пермь 2000.

47. Благов Э.И. и др. "Исследования на гидромодели течение среды в шиберном канале" Энергомашиностроение №9 1981.

48. Черноштан В.И. "Пути совершенствования энергетической арматуры ТЭС с целью повышения ее надежности и снижения акустического излучения" Автореферат диссертации М. 1998.

49. Luniewich В., Gardzilewicz A., Zariankin A., Mazcinkowski S., Solodov V.G., Sowa R., Karbowski M. Modernization of the 200 MW turbine exhaust hood modeling and digging in fluid flow. Machinery 1997. Wydawnictwo IMP PAN.190

50. Gardzilewicz A., Solodov V.G. Spatial unsteady flow pattern in an old-design 200 MW turbine exhaust hood and ways of its improvement Cieplne Maszyny Przeply-wowe Turbomachinery Politechnika Lodzka 1999 №115.

51. Gardzilewicz A., Lampart P., Luniewich В. О kilku zastosowaniach numerycznej mechaniki plynow w procesuch modernizacji i doskonalenia akcyjnych turbin parowych Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej Mechanika z. 181 Warsawa 1999 c. 69 87.

52. Зарянкин A.E., Симонов Б.П., Парамонов A.H., Чусов С.И. "Аэродинамическое совершенствование выхлопных патрубков турбомашин" Теплоэнергетика №1 1998 г.

53. Гильденблат М.Я., Прузовский A.M., Халтурина Н.В. "Экспериментальные исследования систем коллекторов канального реактора" Тр. Гидропроекта 1975 г. Вып. 41 с. 139 146.