Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0072

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0072
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Разработка и исследование нового цилиндра низкого давления (ЦНД) повышенной пропускной способности для мощных конденсационных паровых турбин
Докладчик
Зарянкин Аркадий Ефимович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Решаемая проблема заключается в увеличении пропускной способности проточных частей цилиндров низкого давления (ЦНД) при сохранении высоких значений аэродинамической эффективности и надежности. Целью исследования является разработка ЦНД повышенной пропускной способности. Применение новых двухъярусных ЦНД позволит сократить количество выхлопов на паровых турбинах освоенного мощностного ряда (300 – 1200 МВт), что обеспечит снижение удельной металлоемкости агрегата и общей длины валопровода, а также позволит конструировать турбины мощностью до 2000 – 2500 МВт. Основная задача исследования состоит в разработке технических решений, обеспечивающих возможность увеличения пропускной способности последних отсеков турбоустановки на 40 %.
Актуальность и новизна исследования
Традиционно задачу повышения пропускной способности пытаются решить путем создания рабочей лопатки длиной более 1300 –1400 мм для проектируемых сверхмощных паровых турбин. Однако, увеличение высоты рабочей лопатки последней ступени неминуемо снижает надежность и усложняет ее профилирование. Другой способ увеличения торцевой площади выхлопа заключается в наращивании количества ЦНД. Данный метод имеет ограничения, связанные с предельным числом цилиндров. Наличие более четырех цилиндров приводит к низкой вибрационной надежности ротора турбины. В связи с этим, создание ЦНД с повышенным пропуском пара в конденсатор при сохранении существующих предельных длин лопаток последних ступеней является крайне актуальной задачей, позволяющей уже в ближайшее время проектировать быстроходные паровые турбины мощностью 2000 – 2500 МВт. В рамках исследования проводилась разработка ряда конструктивных узлов ЦНД, а именно: системы организации регенеративных отборов, выхлопного патрубка и соплового аппарата последней ступени. Актуальность проблемы совершенствования системы отборов вытекает из того факта, что существующая система резко нарушает структуру течения в послеотборной ступени, снижая не только ее экономичность, но и надежность. Традиционные выхлопные системы паровых турбин также имеют ряд недостатков, связанных с наличием мощных вихреобразований, приводящих к увеличению гидравлического сопротивления тракта от последней ступени турбины до конденсатора.
Описание исследования

На первом этапе реализации проекта по результатам обзора научно – технической литературы были отобраны три перспективные концепции ЦНД с повышенной пропускной способностью: ЦНД с высотой лопатки последней ступени 1400 мм, ЦНД с высотой лопатки последней ступени 1200 мм и поворотом части потока, двухъярусный ЦНД. Для каждой выбранной концепции была проведена её эскизная конструктивная проработка, включающая в себя тепловые, аэродинамические и прочностные расчеты. Результаты исследования показали, что двухъярусный ЦНД – это наилучший способ достижения поставленных целей. Двухъярусный цилиндр состоит из двух, несвязанных между собой в аэродинамическом плане проточных частей, где верхний ярус представляет собой независимый от нижнего яруса лопаточный аппарат, имеющий собственные оптимальные шаги, профили, значения u/cф и реакции.

На втором этапе проводилось дальнейшее исследование конструкции проточной части двухъярусного ЦНД и двухъярусной рабочей лопатки предпоследней ступени. Для решения поставленных задач использовались различные методы, в том числе: трехмерное численное моделирование аэродинамики (СFD), трехмерное моделирование прочностного состояния. Использование CFD-расчетов позволило с высокой точностью определить распределение параметров рабочей среды и на основании анализа полученных результатов выявить причины снижения экономичности в рассматриваемых узлах. Полученная информация служит основой для разработки новых конструктивных решений, направленных на повышение эффективности. CFD-расчеты проводились в программе ANSYS CFX, хорошо зарекомендовавшей себя с точки зрения стабильности и точности решения.

Применение методов трехмерного проектирования экспериментальных стендов позволило с разных сторон проработать экспериментальные модели и стенды. Более того, полученные трехмерные модели послужили основой для их изготовления на пяти координатном станке и промышленном 3D принтере. Использование такого подхода позволило с высокой степенью точности проработать проточную часть цилиндра, выполнить эскизный проект нового двухъярусного ЦНД и провести эскизное проектирование двухъярусной рабочей лопатки предпоследней ступени. Разработанная “вильчатая” рабочая лопатка имеет единую неразборную конструкцию, разделенную на две части поперечной перегородкой, на внешней поверхности которой располагаются две лопатки верхнего яруса со скошенной на 40° формой полки толщиной 10 мм и елочным усиленным хвостовиком с заходом в пазы ротора под углом 65°. После конструктивной разработки новой “вильчатой” лопатки были так же рассмотрены вопросы, связанные с возможной технологией ее производства и оценкой ее себестоимости.

На третьем и четвертых этапах реализации проекта осуществлялась разработка конструктивных узлов двухъярусного ЦНД, а также экспериментальные исследования предлагаемых технических решений. Были рассмотрены: система регенеративных отборов из верхнего яруса, выхлопной патрубок и сопловой аппарат последней ступени. Для перечисленных узлов была создана эскизная конструкторская документация на экспериментальные модели и стенды. Стоит отметить, что каждая из моделей была изготовлена в нескольких исполнениях. Далее, на каждом из стендов на различных режимах проводились обширные экспериментальные исследования. 

Результаты исследования

Проведенные исследования конструкции двухъярусного ЦНД позволили установить оптимальное число ступеней в нижнем и верхнем ярусе разрабатываемого цилиндра низкого давления. Верхний ярус цилиндра содержит три ступени, а нижний – пять. Такая компоновка проточной части требует применения специальной диафрагмы первой ступени, отличающейся от традиционной тем, что она выполнена двухъярусной, причем в нижней части располагается обычная диафрагма ступени паровой турбины, а в верхнем ярусе установлен аэродинамический фильтр. Поскольку диафрагма является уникальной, подана заявка на ее изобретение.

Интегральный КПД двухъярусного цилиндра составил 87,1 %. Разработанные профили сопловых и рабочих лопаток обладают низкими профильными потерями (менее 3,7 %). Особое внимание уделено разработке двухъярусной “вильчатой” лопатки, для которой выполнен весь комплекс численных исследований аэродинамики и прочностного состояния, показавший ее высокую эффективность. Новая “вильчатая” двухъярусная лопатка сочетает высокие аэродинамические и прочностные показатели (коэффициент запаса прочности 2).

Проведенные экспериментальные исследования новой системы организации регенеративного отбора через аэродинамический отсекатель потока показали, что ее применение позволяет снизить в пять раз окружную неравномерность поля скоростей перед сопловым аппаратом послеотборной ступени, что обеспечивает повышение не только КПД ступени, но и вибрационной надежности ротора ЦНД. Поскольку в мире еще нет аналогов данной системы отборов из проточных частей паровых турбин, ведется подготовка заявки на ее изобретение.

Проведены экспериментальные исследования изготовленной осесимметричной модели соплового аппарата последней ступени двухъярусного ЦНД. Наиболее эффективным мероприятием по борьбе с вихреобразованием в сопловом аппарате со значительным углом раскрытия меридионального обвода оказалась установка специального аэродинамического дефлектора. Согласно проведенному эксперименту коэффициент относительных потерь может быть снижен в определённых режимах более чем на 3 %. Экспериментальные исследования изготовленной модели выхлопного патрубка двухъярусного ЦНД подтвердили эффективность его конструкции. Экспериментально подтверждена эффективность комбинированной противовихревой решетки, позволяющей на 20 % увеличить степень заполнения потоком выходного сечения выхлопного патрубка. Коэффициент полных потерь разработанного выхлопного патрубка нижнего яруса изменяется в диапазоне от 0,75 до 0,83, а для выхлопного патрубка верхнего яруса аналогичной конструкции от 0,68 до 0,75.

По теме исследования опубликованы две статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, и четыре статьи в журналах, индексируемых в международной базе цитирования SCOPUS. По результатам экспериментального исследования узлов двухъярусного ЦНД готовятся две заявки на получение изобретения, а также две статьи для опубликования в журналах, входящих в базу цитирования SCOPUS.

Практическая значимость исследования
Проводимые в настоящем проекте исследования послужат базой для дальнейших опытно-конструкторских работ (ОКР). Использование двухъярусных ЦНД позволит отечественному машиностроению совершить технологический скачок в создании турбин сверхвысокой мощности, а также значительно улучшить показатели турбоустановок из уже освоенного мощностного ряда. Использование в энергетике ЦНД с повышенной пропускной способностью позволит снизить удельную металлоёмкость турбоагрегатов (например, для турбины К-800-240 применение двухъярусного ЦНД приведет к экономии металла более чем на 10 – 15 %). Так же стоит отметить, что разработанные в ходе проведенного исследования технические решения могут быть использованы при производстве и модернизации традиционных ЦНД. Среди таких решений: новая система регенеративных отборов, которая найдет свое применение практически во всех паровых турбинах (особенно в теплофикационных), сопловой аппарат последней ступени и выхлопной патрубок.