Підвищення ефективності останнього ступеня циліндра низького тиску парової турбіни за рахунок просторового профілювання лопаток

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.01.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Випуск Том 23, № 1, 2020 (березень)
Сторінки 6–14

 

Автори

А. В. Русанов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 000-0003-1345-7010

В. Л. Швецов, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: shvetsov@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0002-2384-1780

С. В. Альохіна, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна (61022, Україна, м. Харків, майдан Свободи, 4), e-mail: alyokhina@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-2967-0150

Н. В. Пащенко, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: nata_y@ukr.net, ORCID: 0000-0002-3936-7331

Р. А. Русанов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: roman_rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-2930-2574

М. Г. Іщенко, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: ischenko-mg@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0003-2251-5104

Л. О. Сластьон, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: kalembet@i.ua, ORCID: 0000-0002-9268-8134

Р. Б. Шерфедінов, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: rizasherfedinov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5947-7802

 

Анотація

В роботі наведено варіант удосконалення проточної частини циліндра низького тиску (ЦНТ) парової конденсаційної турбіни К-325-23,5 (серія К-300) за рахунок модернізації останнього ступеня. Турбіна К-325-23,5 розроблена для заміни застарілих турбін серії К-300, які разом з турбінами серії К-200 складають основу теплової енергетики України. В модернізованій проточній частині застосовані нові лопатки направляючого апарата останнього ступеня зі складним коловим навалом біля кореня. Метою модернізації було збільшення ефективності ЦНТ на режимах «поганого» вакууму в конденсаторі з забезпеченням «незниження» його ефективності на номінальних режимах праці. Удосконалена проточна частина ЦНТ розроблена з використанням сучасних методів розрахунку в’язкої тривимірної течії, що ґрунтуються на числовому інтегруванні осереднених рівнянь Нав’є-Стокса. Для турбулентних ефектів застосовано двопараметричну модель турбулентності SST Ментера, а для врахування реальних властивостей робочого тіла – рівняння стану IAPWS-95. Для побудови тривимірної геометрії осьових лопаток використовувався оригінальний метод, вихідними даними для якого була обмежена кількість параметризованих величин. Застосовані методи газодинамічних розрахунків та проектування проточних турбомашин реалізовані в програмному комплексі IPMFlow, який є розвитком програмних комплексів FlowER і FlowER–U. Досліджувану проточну частину ЦНТ обмежено двома останніми ступенями (4-м та 5-м). Для побудови розрахункової області використано різницеву сітку з загальною кількістю елементарних об’ємів понад 3 млн. В процесі дослідження розглянуто більше 20 варіантів лопаток направляючого апарата останнього ступеня. У модернізованій проточній частині останнього ступеня ЦНТ на номінальному режимі роботи приріст коефіцієнта корисної дії (ККД) склав 0,9 % й потужності – 0,61 МВт. На режимі з «поганим» вакуумом (з підвищеним тиском) у конденсаторі досягнуто значнішого приросту: ККД – на 11,5 %, потужність зросла майже на 2 МВт.

 

Ключові слова: просторове профілювання, числове моделювання, просторова течія, газодинамічна ефективність, парова турбіна, останній ступінь.

 

Повний текст: Завантажити PDF

 

Література

  1. Petinrin J. O., Shaaban M. Overcoming challenges of renewable energy on future smart grid. Telkomnika. 2012. Vol. 10. No. 2. Р. 229–234. https://doi.org/10.12928/telkomnika.v10i2.781.
  2. Енергетична стратегія України на період до 2035 року «Безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність»: розпорядження Кабінету Міністрів України від 18 серпня 2017 р. № 605-р. 66 с.
  3. Щегляев А. В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.: Энергоатомиздат, 1993. 416 c.
  4. Denton J. D. Learning flow physics from turbomachinery flow calculations / Ed. Dvorak R. and Kvapilova J. Proc. of the Int. Symp. on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows. Prague, SCMP Publication. 1993. P. 23–51.
  5. Программа ANSYS-Fluent для CFD моделирования турбомашин. ANSYS: Official site, 2018. URL: http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-Fluent.
  6. Программа NUMECA – Tubomachinerysolution для CFD моделирования и оптимизации турбомашин. NUMECA international: Official site, 2020. URL: http://www.numeca.com/en_eu/turbomachinery.
  7. Rusanov A., Rusanov R., Lampart P. Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modeling. Open Eng. (formerly Central European J. Eng.). 2015. Vol. 5. Iss. 1. Р. 399–410. https://doi.org/10.1515/eng2015-0047.
  8. Янгьозов А., Лазаровски Н. Влияние геометрической формы соплового аппарата на эффективность преобразования энергии в ступенях паровых турбин. Ansys Advantage. Русская редакция. Инж.-техн. журн. 2009. № 11. С. 29–34.
  9. D’Ippolito G., Dossena V., Mora A. The influence of blade lean on straight and annular turbine cascade flow field. ASME J. Turbomachinery. 2011. Vol. 133 (1). No. 011013 (9 p.). https://doi.org/10.1115/1.4000536.
  10.  Русанов А. В., Ершов С. В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях турбомашин: монография. Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2008. 275 с.
  11. Rusanov A., Shubenko A., Senetskyi O., Babenko O., Rusanov R. Healting modes and design optimization of cogeneration steam turbines of powerful units of combined heat and power plant. Energetika. 2019. Vol. 65. Nо. 1. Р. 39–50. https://doi.org/10.6001/energetika.v65i1.3974.
  12. Lampart P., Yershov S. Direct constrained computational fluid dynamics based optimization of three-dimensional blading for the exit stage of a large power steam turbine. Transactions of ASME. J. Eng. for Gas Turbines and Power. 2003. Vol. 125. No. 1. P. 385–390. https://doi.org/10.1115/1.1520157.
  13. IAPWS-95. Revised Release on the IAPWS Formulation1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. IAPWS-95: Official site, 2019. URL: http://www.iapws.org.
  14. Rusanow A. V., Lampart P., Pashchenko N. V., Rusanov R. A. Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research. 2016. Vol. 23. No. 1. P. 61–67. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0009.
  15. Yershov S., Rusanov A., Gardzilewicz A., Lampart P. Calculations of 3D viscous compressible turbomachinery flows. Proc. 2nd Symp. on Comp. Technologies for Fluid/Thermal/Chemical Systems with Industrial Applications, ASME PVP Division Conf., 1–5 August 1999, Boston, USA, PVP. 1999. Vol. 397 (2). P. 143–154.
  16. Menter F. R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.
  17. Русанов А. В., Пащенко Н. В. Аэродинамическое совершенствование цилиндра низкого давления паровой турбины мощностью 200 МВт. Пробл. машиностроения. 2009. Т. 12. № 2. С. 7–15.

 

Надійшла до редакції 24 лютого 2020 р.

Прийнята до друку