Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследование нового цилиндра низкого давления (ЦНД) повышенной пропускной способности для мощных конденсационных паровых турбин

Докладчик: Зарянкин Аркадий Ефимович

Должность: профессор, профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
Задача повышения единичной мощности энергоблоков представляет большой практический интерес, так как в этом случае существенно снижается удельная металлоёмкость и, как следствие, удельные капиталовложения. Повышение мощности энергоблоков, как правило, осуществляется посредством увеличения расхода пара через проточную часть турбины. Фактором, ограничивающим расход пара, является пропускная способность последних ступеней цилиндров низкого давления (ЦНД). Целью реализуемого проекта является разработка технических решений, обеспечивающих возможность создания цилиндра низкого давления повышенной пропускной способности. Разработанные технические решения послужат базой для дальнейших опытно-конструкторских работ. Разработка нового ЦНД с увеличенной пропускной способностью позволит перейти на новый уровень мощности быстроходных паровых турбин (до 1800-2000 МВт), а также сократить количество ЦНД в уже освоенном мощностном ряду (300-1200 МВт).

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом работ по проекту будет являться эскиз проточной части ЦНД повышенной пропускной способности с применением новых конструктивных решений, а именно: лопаточного аппарата, выходного патрубка и системы организации регенеративных отборов. Также в рамках проекта предусмотрена экспериментальная проверка разработанных или предложенных новых конструктивных решений путем их модельной отработки. К числу экспериментальных моделей относятся: осесимметричная модель соплового аппарата последней ступени двухъярусного ЦНД, модель выхлопного патрубка, модель системы организации регенеративных отборов. Кроме того, для новой “вильчатой” рабочей лопатки будет разработана технология изготовления и проведена ее проверка посредством изготовления экспериментального образца. В перспективе будет проведено расчетно-аналитическое исследование нового ЦНД, разработанного с применением экспериментально отработанных конструктивных решений, с определением его интегральных характеристик (внутреннего относительного КПД).
Работы по повышению пропускной способности ЦНД активно ведутся в мировом сообществе. Сейчас эту задачу пытаются решить путем создания новой лопатки для последних ступеней проектируемых сверхмощных турбин длиной 1500 мм. Однако на этом пути имеются очень серьезные нерешенные проблемы, связанные с ее надежностью. Кроме того, имеются почти непреодолимые проблемы, связанные с достижением приемлемого КПД для ступеней с такими лопатками. В этой связи создание ЦНД с повышенным пропуском пара к конденсатору при сохранении существующих предельных длин лопаток является крайне актуальной задачей, позволяющей уже в ближайшее время создавать паровые турбины мощностью в 1800-2000 МВт. (Сейчас предельные мощности быстроходных турбин не превышают 1400 МВт). Кроме того, при создании рассматриваемых в работе новых ЦНД появляется реальная возможность существенно сократить металлоемкость и стоимость уже освоенных турбин.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные технические решения послужат отправной точкой для дальнейших опытно-конструкторских работ. Использование ЦНД с повышенной пропускной способностью это ключ к освоению нового класса мощности энергетических турбомашин. Переход к недоступному ранее уровню единичной мощности турбоагрегата позволит России выйти в лидеры мирового турбостроения. Возможность ввода сверхмощных паровых турбин приведет к интенсификации работ по созданию технических решений для оборудования входящего в состав сверхмощных блоков. Более того, использование нового ЦНД позволит сократить количество ЦНД в уже освоенном мощностном ряду (300-1200 МВт).

Текущие результаты проекта:
На первом этапе выполнения работ были выбраны и обоснованы направления дальнейшего исследования.
Был проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, относящийся к проблеме повышения пропускной способности ЦНД. По результатам обзора были выявлены три перспективных концепции цилиндра низкого давления на повышенный расход пара. Среди них: ЦНД с лопаткой последней ступени 1400 мм, цилиндр низкого давления с поворотом потока после предпоследней ступени, а также двухъярусный ЦНД.
Кроме того, на первом этапе были проведены патентные исследования согласно ГОСТ Р 15.011-96 «Система разработки и поставки продукции на производство». Содержание исследования охватывает широкую область технических решений, касающихся современных конструкций ЦНД паровых турбин. Основной акцент сделан на технические решения, повышающие пропускную способность, надёжность работы выходного патрубка и последней ступени ЦНД. Также рассматривались вопросы, связанные с конструкцией лопаточного аппарата и систем организации регенеративных отборов. Всего было отобрано 79 технических решений, которые отражены в 164 охранном документе затрагивающих рассматриваемую тематику.
Для каждой концепции, выбранной по результатам аналитического обзора литературы, была проведена предварительная конструктивная проработка. Проведенные одномерные тепловые, аэродинамические, а также прочностные расчеты для различных концепций ЦНД с повышенной пропускной способностью наглядно показывают, что ЦНД в двухъярусном исполнении это наиболее перспективное конструктивное решение поставленной задачи.
Выбор двухъярусного ЦНД обусловлен более высокими показателями эффективности (внутренний относительный КПД 84%) по сравнению с другими рассмотренными вариантами (79% для ЦНД с лопаткой последней ступени 1400 мм и 82% для ЦНД с поворотом потока после предпоследней ступени). Дальнейшее совершенствование проточной части двухъярусного цилиндра с применением 3-D моделирования позволит достичь внутреннего относительного КПД 87%. Также двухъярусное исполнение позволяет избежать ряда недостатков аналогов. Например, применение длинной (1400 мм) лопатки приводит к значительным аэродинамическим потерям из-за высокой веерности и угла раскрытия проточной части. Более того, по проведенным расчетам, прочностное состояние такой ступени находится на критическом уровне. Говоря об иной организации полуторного выхода, с поворотом потока, следует заметить, что необходимость организации поворотной камеры удлиняет ротор, создает потери с выходной скоростью после предпоследней ступени, а также приводит к появлению аэродинамических потерь при развороте потока. Выше перечисленные особенности приводят к тому, что КПД цилиндра с поворотом (при равном теплоперепаде) меньше, чем у двухъярусного ЦНД почти на 2%.
Полученные результаты позволяют перейти на этап более глубокого теоретического исследования выбранного конструктивного решения с использованием подробных пространственных 3-D моделей.