Повышение эффективности последней ступени цилиндра низкого давления паровой турбины за счет пространственного профилирования лопаток

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2020.01.006
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 23, № 1, 2020 (март)
Страницы 6-14

 

Авторы

А. В. Русанов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-1345-7010

В. Л. Швецов, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: shvetsov@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0002-2384-1780

С. В. Алехина, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина (61022, Украина, г. Харьков, площадь Свободы, 4), e-mail: alyokhina@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-2967-0150

Н. В. Пащенко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: nata_y@ukr.net, ORCID: 0000-0002-3936-7331

Р. А. Русанов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: roman_rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-2930-2574

М. Г. Ищенко, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: ischenko-mg@turboatom.com.ua, ORCID: 0000-0003-2251-5104

Л. А. Сластен, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: kalembet@i.ua, ORCID: 0000-0002-9268-8134

Р. Б. Шерфединов, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199),  e-mail: rizasherfedinov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-5947-7802

 

Аннотация

В работе представлен вариант усовершенствования проточной части цилиндра низкого давления (ЦНД) паровой конденсационной турбины К-325-23,5 (серия К-300) за счет модернизации последней ступени. Турбина К-325-23,5 разработана для замены устаревших турбин серии К-300, которые вместе с турбинами серии К-200 составляют основу тепловой энергетики Украины. В модернизированной проточной части применены новые лопатки направляющего аппарата последней ступени со сложным окружным навалом у корня. Целью модернизации было повышение эффективности ЦНД на режимах «плохого» вакуума в конденсаторе с обеспечением «неснижения» его эффективности на номинальных режимах работы. Усовершенствованная проточная часть ЦНД разработана с использованием современных методов расчета вязкого трехмерного течения, основанных на численном интегрировании осредненных уравнений Навье-Стокса. Для турбулентных эффектов используется двупараметрическая модель турбулентности SST Ментера, а для учета реальных свойств рабочего тела – уравнение состояния IAPWS-95. Для построения трехмерной геометрии осевых лопаток применен оригинальный метод, исходными данными для которого было ограниченное количество параметризованных величин. Использованные методы газодинамических расчетов и проектирования проточных турбомашин реализованы в программном комплексе IPMFlow, который является развитием программных комплексов FlowER и FlowER-U. Исследуемую проточную часть ЦНД ограничено двумя последними ступенями (4-й и 5-й). Для построения расчетной области использована разностная сетка с общим количеством элементарных объемов более 3 млн. В процессе исследования рассмотрено свыше 20 вариантов лопаток направляющего аппарата последней ступени. В модернизированной проточной части последней ступени ЦНД на номинальном режиме работы прирост коэффициента полезного действия (КПД) составил 0,9% и мощности – 0,61 МВт. На режиме с «плохим» вакуумом (с повышенным давлением) в конденсаторе достигнуто значительный прирост: КПД – на 11,5%, мощность выросла почти на 2 МВт.

 

Ключевые слова: пространственное профилирование, численное моделирование, пространственное течение, газодинамическая эффективность, паровая турбина, последняя ступень.

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 24 февраля 2020 г.

Принята в печать