Повышение эффективности работы парциального отсека паровой турбины благодаря физическому и численному моделированию

2. Slenes, К.М. Compact capacitor technology for future electromagnetic launch applications [Текст] / K.M. Slenes, L.E. Bragg // IEEE Trans, on magnetics. 2005. Vol. 41, № 1.

3. Connolly, J. High energy density capacitor development at ABB power [Текст] / J. Connolly, M. Dunn // IEEE International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics.— June 22—25, 1998.

4. Беленький, Б.П. Технологические и матери-аловедческие проблемы развития конденсаторов и нелинейных полупроводниковых резисторов [Текст] / Б.П. Беленький, Н.И. Горбунов // Современная электроника,— 2008. N° 1,— С. 10—13.

5. Беленький, Б.П. Некоторые особенности и современные тенденции развития конденсаторов для электронной аппаратуры [Текст] / Б.П. Беленький, Н.И. Горбунов // Тез. докл. V Междунар. на-учно-техн. конф. Электрическая изоляция 2010».— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010,— С. 3—10.

6. Kammermaier, J. Modeling of plasma-induced self-healing in organic dielectric |Текст] / J. Kam-mermaier, G. Rittmayer// J. Appl. Phys.- 1989. Vol. 66(4).

7. Tortai, J-H. Self-healing of capacitors with metallized film technology: experimental observations and theoretical model [Текст] / J-H. Tortai, A. Denat, N. Bonifaci // J. Electrostatics.— 2001,— Vol. 53. P. 159-169.

8. Чатинян, Ю.С. Расчет процессов самовосстановления электрической прочности после пробоя

в конденсаторах с металлизированными обкладками [Текст] / Ю.С. Чатинян, В.А. Сараджев, Э.В. Кур-гинян // Электричество,— 1984. N° 3,— С. 67—69.

9. Петренко, Л.Г. О процессе самовосстановления электрической прочности металлизированных диэлектриков [Текст] / Л.Г. Петренко, С.В. Биньков // Электричество,— 1984. N° 3.

10. Белько, В.О. Исследование наносекундного электрического взрыва тонких алюминиевых пленок [Текст] / В.О. Белько, О.А. Емельянов // Письма в «Журнал технической физики»,— 2009. Т. 35, N° 18.

11. \amadat, Н. / Н. Yamadat, T.Eujiwarat, Y. Suzuo-kit. J. Phys.- 1993. Сер. D: Appl. Phys. 26,- 1328.

12. Перепечко, И.И. Акустические методы исследования полимеров |Текст| / И.И. Перепечко. М.: Химия, 1973.

13. Wolter, A.R. Measurements of metallic film densities by an optical technique [Текст] / A.R. Wolter // Journal of Applied Physic.— 1965. Vol. 36. N° 8.

14. Taketoshi, N. Development of a thermal diffu-sivity measurement system for metal thin films using a picosecond thermoreflectance technique [Текст] / N. Taketoshi, T. Baba, A. Ono // Meas. Sci. Technol. 2001. № 12. P. 2064-2073.

15. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел [Текст] / Г. Карслоу, Д. Егер,— М., 1964.

16. Месяц, Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга |Текст] / Г.А. Месяц,— М.: Наука, 2000.- 424 с.

УДК621.165

A.B. Осипов, А.Н. Голушко, A.B. Бирюков

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПАРЦИАЛЬНОГО ОТСЕКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ БЛАГОДАРЯ ФИЗИЧЕСКОМУ И ЧИСЛЕННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ

Современные тенденции проектирования проточной части паровых турбин с сопловым парораспределением предполагают использование отсека, включающего регулирующую ступень (РС), уравнительную камеру (УК) за ней и последующую ступень давления. Требуемый режим работы турбины обеспечивается изменением степени парциальности впуска рабочего тела (р. т.), которая в основном и определяет экономичность РС и условия течения в УК. Как показывают опытные данные, изменение парци-альности РС, конструкция и геометрические

размеры УК оказывают существенное влияние на эффективность и надежность работы последующих ступеней давления.

Опубликовано [1—5] сравнительно большое количество результатов экспериментальных исследований ступеней с парциальным подводом р. т., но лишь незначительная их часть посвящена изучению влияния парциального впуска на работу следующих за РС ступеней давления. Применяемые численные методы при доводке экспериментальных моделей предполагает использование гидрогазодинамических пакетов

[6, 7]. К ним относятся, например, SINF (программный продукт СПбГПУ), FlowVision, AN SYS С FX, FlowER, FLUENT, CFD-TASCflow, STAR-CD, Fine Turbo и др. Достоверность численного моделирования и эффект от его применения могут быть достигнуты лишь на базе результатов экспериментальных исследований на стендах, выполненных при соблюдении основных критериев подобия по отношению к натурным установкам. Анализ экспериментальной базы в области создания эффективных отсеков показывает, что один и тот же фактор, например межступенчатый зазор (МЗ), по-разному влияет на работу смежных ступеней, имеющих различное конструктивное оформление (средний диаметр, втулочное отношение и т. д.). Следует отметить, что до сих пор еще не накоплено достаточного количества экспериментального материала и результатов численного моделирования, позволяющего обобщить основные принципы при проектировании парциальных отсеков. Таким образом, существует необходимость четкой характеристики типов двухступенчатых парциальных отсеков, определения основных факторов, влияющих на их эффективность, и разработки методов доводки подобных отсеков.

В двухступенчатом парциальном отсеке окружная и радиальная неравномерности достигают значительных величин и оказывают влияние на работу не только самого отсека, но и цилиндра высокого давления в целом. Это объясняется неосесимметричным течением в камере за PC, что вызвано парциальным впуском р. т. Поэтому проведение физических экспериментов необходимо для исследования сложного пространственного течения в УК, а создание математической модели обусловлено стремлением к ее интенсивной оптимизации.

Основные конструктивные параметры парциального отсека

Для обобщения многочисленных экспериментально-численных данных по парциальным отсекам необходимо определить основные конструктивные и режимные параметры, которые обусловливают их эффективность. Типичная конструкция отсека представлена на рис. 1.

Вводится система индексов для обозначения параметров рабочего тела в контрольных местах: О, 1,2 — соответствуют сечениям перед направ-

О, I, 2, D,

Рис. 1. Типовая конструкция камеры за регулирующей ступенью паровой турбины с сопловым парораспределением: 1 — сопловая коробка; 2— сегмент сопел; 3— корпус;

4— рабочая лопатка регулирующей ступени;

5— периферийный обвод в камере; 6— корневой обвод в камере; 7— направляющий аппарат первой ступени давления; 8— направляющая лопатка ступени давления; с12\ — средний диаметр рабочего колеса РС; /21 — высота рабочей лопатки РС по выходной кромке; с!п — средний диаметр НА первой ступени давления; /12— высота направляющей лопатки ступени давления; АН — разность средних радиусов РС и первой ступени давления; с1' — диаметр вала за РС; с1" — диаметр ме-

А

межступенчатый зазор; а' — угол наклона корневого обвода в камере; а" — угол наклона периферийного обвода; V — объем камеры за РС по упрощенной схеме

ляющим аппаратом (НА), в межвенцевом зазоре и за рабочим колесом (РК).

Для большинства паровых турбин низких и средних параметров, например выпускаемых Калужским турбинным заводом, характерны следующие особенности:

1) средний диаметр рабочего колеса РС и средний диаметр НА ступени давления сохраняют свои значения для большинства турбин при отношении с/12 /с/п <1. Таким образом закрутка потока усиливается центростремительным направлением потока от РС до ступени давления;

2) в 40 % случаев используются корневые обводы в камере (а'); периферийные об воды (а") используются реже;

3) не прослеживается четкой закономерности в выборе объема камеры (у) за РС, он имеет значительный диапазон изменения;

4) осевая ширина камеры Дг, необходимая для выравнивания потока в окружном направлении после РС, варьируется в широких пределах (Д2

носительного МЗ А2 «0,5, где А2 = Дг//2,.

Особенности исследований парциального двухступенчатого отсека «регулирующая ступень — уравнительная камера — ступень давления»

Физические и аналитические исследования парциального двухступенчатого отсека подтверждают существование значительной окружной и радиальной неравномерностей в камере за регулирующей ступенью, на входе в направляющий аппарат и на выходе из рабочего колеса ступени давления.

Сложность явлений, возникающих в УК, требует комплексного подхода к поиску оптимальной геометрии камеры численно-экспериментальными методами. При исследовании необходимо учитывать отдельные особенности рассматриваемого отсека.

При оценке потерь энергии в камере, а также входной неравномерности перед НА ступени давления необходимо учитывать реальную закрутку потока после регулирующей ступени, что может быть обеспечено только на динамическом воздушном экспериментальном стенде.

Относительный МЗ А оказывает существенное влияние на эффективность работы отсека. Зависимость КПД отсека от относительного МЗ =/(9т) Для разных конструкций неодинакова. По экспериментальным данным она имеет криволинейный характер с экстремумом. В традиционных расчетах влияние МЗ на эффективность смежных ступеней не учитывается. Параметр А определяет:

изменение структуры потока, обусловленное взаимным влиянием ступеней;

различные условия обтекания направляющих лопаток ступени давления и использование выходной кинетической энергии;

потери энергии на пути между ступенями, вызванные гидродинамическим сопротивлением;

неравномерность потока в окружном и радиальном направлениях;

деформацию интегральных характеристик ступеней и отсека в целом (влияние на градиент интегральных зависимостей);

влияние на максимальный КПД ступеней и

ОТСека В ЦеЛОМ П1тах=/

Лттах =/)>ГДе Л1тах> Л2тах И Л^тах - МаКСИмальные значения КПД соответственно РС, первой ступени давления и парциального отсека;

осевые габариты, критическую частоту вращения ротора ит. д.

Следует обращать особое внимание на зоны пониженного давления в камере, «безрасходные зоны» (зоны с нулевыми скоростями), зоны взаимодействия потоков (зоны повышенных потерь энергии), в частности взаимодействия основного потока, покидающего РС, с вихревым шнуром в канале.

Численно-экспериментальное исследование парциального «полуторного» отсека

Общие сведения по конструкции экспериментального стенда для исследования парциального «полуторного» отсека приведены в работе [8].

На динамическом стенде лаборатории тур-биностроения кафедры тепловых двигателей Брянского государственного технического университета (БрГТУ) существует возможность определения следующих характеристик: действительных углов выхода потока из рабочего колеса РС при полном и парциальном подводе рабочего тела; абсолютной скорости потока на входе в УК; полного и статического давлений на входе в отсек и на выходе из камеры за РС; действительного распределения углов потока на входе в НА ступени давления.

Экспериментальная установка, предназначенная для исследования влияния конструктивных и режимных параметров на работу парциального «полуторного» отсека (за РС устанавливается УК и направляющий аппарат следующей ступени), представлена на рис. 2, 3 и имеет характеристики, приведенные ниже в таблице.

В качестве рабочего тела используется атмосферный воздух. Необходимые параметры воздуха на входе в РС (7^,) генерируются систе-

мой вентиляторов. Трубкой давления 10 (см. рис. 2) регистрируется полное давление в контрольной точке на входе в отсек. Предусмотрено траверсирование пятиканальными зондами 11 потока на выходе из рабочего колеса РС в окружном направлении и по радиусу Угловой диапазон измерения по окружности составляет 240° (см. рис. 3). В радиальном направлении перемещением зонда (А/зонд) охватывается наиболее значимая для исследования УК часть 4. В выходном сечении НА 5 ступени давления на специальном поворотном кольце установлены два пятиканальных зонда 12 для измерения полного и статического давлений, а также углов потока. Поворотным кольцом обеспечивается угол измерения в 240°. Для имитации рабочего колеса за НА ступени давления устанавливается щелевое сопротивление <?, которое также служит для обеспечения требуемого перепада энтальпий на РС. Конструкцией отсека предусмотрено изменение парциальности путем установки специальных вставок перед и за сопловой решеткой РС.

При проведении опытных испытаний основные задачи следующие:

1) максимально приблизить условия проведения эксперимента (конструктивные и режимные) к натурным условиям работы двухступенчатого парциального отсека.

2) исследовать физическую картину течения за РС, в УК и на входе в ступень давления на разных режимах работы РС путем измерения параметров рабочего тела в контрольных точках и траверсирования в контрольных сечениях

Рис. 2. Конструкция экспериментального «полуторного» отсека: 1— входной патрубок; 2— направляющий аппарат РС; 3— рабочее колесо РС; 4— уравнительная камера; 5— направляющий аппарат ступени давления (направляющие лопатки удалены); 6, 7 — выходные кольца за НА; 8 — диск щелевого сопротивления; 9 — вал; 10 — трубка полного напора; 11, 12— пятиканальные полуориентируемые пневмометрические зонды

(/>01, р2\, Д)2 — полные давления в соответствующих сечениях — см. рис. 1; Р1\-Ры — статические давления; а21 ,у21 — углы выхода потока из РК в абсолютном движении в горизонтальной

Корпус

индукторного

тормоза

Ж- '-л

270-' Д

т!г Ш

Рис. 3. Основные конструктивные размеры отсека и схема расположения зондов

Таблица 1

Геометрические характеристики «полуторного» отсека

Наименование величины Ступень 1 Ступень 2

НА1 РК1 НА2 -

Средний диаметр, с1и, с12], с1и, мм 628,2 628,5 515 -

Высота лопатки, 1и, /„, /р, мм 22,1 24,7 40 -

Втулочное отношение, V,,, V,,, V,, 28,42 25,44 12,87 -

Угол выхода на среднем диаметре, а,,, р„, а,„ град 1Г20' 17°30' - -

Число лопаток, пи, и„, яр, шт. 60 234 - -

Отношение средних диаметров, с1„/с1и 0,82

Диаметр вала установки, с1', мм 85

Диаметр меридионального обвода камеры, с1", мм 777

Межступенчатый зазор, Лг, мм 51-90

Относительный межступенчатый зазор, Лг 2,06-3,64

Объем камеры за РС, V, м 0,0239-0,0422

Парциальность РС, е 0,33-1,0

и меридиональной плоскостях; а02,У02 —углы входа потока в направляющую решетку ступени давления в абсолютном движении). Для более глубокого анализа влияния конструктивных и режимных параметров на работу отсека необходимо траверсировать параметры потока перед НА ступени давления по высоте и в окружном направлении с последующим их осреднением —

Л)2> Л)2> а02> У 02 = Г ф), где Х^щ/^-

характеристическое число РС (м, — окружная скорость на среднем диаметре РС; С^ —условная скорость, соответствующая полному изоэн-тропийному перепаду на РС; ф — окружная координата);

3) получить суммарные характеристики РС и =/(*„Дг,е), Л1тах = /(Дг), где щ - КПД РС; Л1тах _ максимальное значение КПД РС, е — степень парциальности ступени;

4) оценить потери энергии в УК при постановке различных условий входа р. т. в канал и разном конструктивном оформлении УК;

5) оценить неравномерность параметров рабочего тела на входе в ступень давления.

Необходимость получения вышеперечисленных характеристик обусловлена также применением результатов эксперимента в постановке граничных условий для расчета математической модели, для чего необходимы следующие параметры рабочего тела:

Наименование величины Обозначение

Полное давление на входе в УК р"21

Полная температура 7~0* Удельный объем

Суммарный расход рабочего тела С Углы входа потока в УК

в абсолютном движении а2\, У21 Осевая составляющая

абсолютной скорости с1Хг Тангенциальная составляющая

абсолютной скорости с2\и Радиальная составляющая

абсолютной скорости е21/-Статическое давление

на выходе из УК />02

Снижения неравномерности параметров потока перед НА первой ступени давления можно добиться различными методами. На экспериментальном стенде совершенствование парциального отсека достигается изменением геометрии УК в осевом направлении, а также применением специальных меридиональных обводов, отвечающих истинному течению р. т. в камере (обеспечивают более плавный переход от большего диаметра РС к меньшему диаметру ступени давления). Подобное решение вопроса при одновременном снижении потерь в УК со-

храняет неравномерность параметров, возникающую после парциальной РС на входе в сопло-вый аппарат ступени давления. Найти опти-

мальные конструктивные соотношения позволит физический эксперимент в сочетании с численными методами расчета.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зарянкин, А.Е. Снижение неравномерности параметров потока при входе в сопловой аппарат первой нерегулируемой ступени паровой турбины с сопловым парораспределением [Текст] / А.Е. Зарянкин, H.A. Зройчиков, C.B. Арианов // Теплоэнергетика,— 2006. №11.— С. 4—9.

2. Гоголев, И.Г. Зависимость КПД двухступенчатого отсека турбины от расстояния между ступенями [Текст] / И.Г. Гоголев, A.A. Ктимцов // Теплоэнергетика,— 1974. N° 3,— С. 20—21.

3. Гоголев, И.Г. Характеристики двухступенчатого отсека и его второй ступени при парциальном впуске первой ступени [Текст] / И.Г. Гоголев, A.M. Дроконов, В.В. Тарасов //Теплоэнергетика. — 1983. № 6,- С. 24-26.

4. Галацан, В.Н. Исследование регулировочной ступени совместно с последующим направляющим аппаратом [Текст] / В.Н. Галацан, В.И. Гольман, J1.A. Зарубин // Теплоэнергетика. — 1985. N° 7,— С. 61-63.

5. Вольфсон, И.М. Влияние сопловой решетки на работу предыдущей ступени [Текст] / И.М. Вольфсон, В.К. Гребнев // Теплоэнергетика. — 1974. № 6,- С. 53-55.

6. Ермолаев, В.В. Отработка элементов модернизированной проточной части паровой турбины Т-100-12,8 средствами вычислительной аэродинамики [Текст] / В.В. Ермолаев, H.H. Гудков, А.Н. Бабиев, В.И. Кириллов // Теплоэнергетика. — 2007. № 4,- С. 22-27.

7. Lampart, P. CFD Investigation of the partial admission control stage of a large power steam turbine [Текст] / P. Lampart, M. Szymaniak // Тр. ин-та проблем машиностроения. — 2003. T.l. — С. 198—204.

8. Осипов, A.B. Исследование камеры за регулирующей ступенью [Текст] / A.B. Осипов, A.B. Бирюков, А.Н. Голушко; под ред. Ю.И. Фокина // Совершенствование энергетических машин: сб. науч. тр.— Брянск: Изд-во БГТУ, 2009.— С. 144-166".

УДК620.9.001.5

МЛ. Конищев

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ГЭС И ВЭС В СОСТАВЕ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ АККУМУЛИРОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ

В 2009 году использование энергии ветра побило новые рекорды: установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) в мире достигла около 160 ГВт при выработке электроэнергии около 340 ТВт-ч, это около 2 % всей произведенной электроэнергии [ 1 ]. В среднем каждые три года установленная мощность ВЭС в мире удваивается, растет и доля ветроэнергетики в производстве электроэнергии. В ряде стран эта доля уже сейчас весьма велика: в Дании — 20 %, Португалии — 15 %, Испании — 14 %, Германии — 9 %. Вместе с ростом доли ветроэнергетики возросла потребность в ее аккумулировании и перераспределении. Как известно, ветер имеет стохастически-детер-минированную природу возникновения и характеризуется значительными колебаниями прихода

энергии в зависимости от погодных условий. В результате строительство крупных ветропарков и увеличение доли ветроэнергетики, особенно в энергодефицитных районах, может приводить к ухудшению качества электроэнергии и сбоям в энергоснабжении.

На территории России работает 11 ВЭС суммарной установленной мощностью около 13 МВт. Из них только четыре ВЭС мощностью выше 1 МВт. Крупнейшая ВЭС в России — Куликовская, мощностью 5,1 МВт. Тем не менее интерес к возобновляемой энергетике в стране в последнее время возрастает. Согласно стратегии по увеличению доли выработки энергии от возобновляемых источников в общем энергобалансе страны доля ВЭС в России к 2020 году