Введение к работе
з
Актуальность темы: Экономичность ЦВД влажнопаровых турбин АЭС и ГеоЭС ниже, чем ЦВД турбин на перегретом паре на 6-12%.
Влажкспаровые турбины имеют целый ряд отличительных особенностей:
увеличенный расход пара;
эрозионно-коррозионные повреждения;
размыв неподвижных деталей, проточной части, элементов отбора;
- интенсивный занос проточной части (в случае с геотермальным
теплоносителем ГеоЭС) солями и другими примесями. В связи с небольшими
высотами лопаток в первых ступенях весьма высока доля концевых потерь в
решетках профилей.
На сегодняшний день практически отсутствуют данные о влиянии плотности пара (соотношения рі/рг) на профильные и полные потери энергии пара в решетках турбин влажного пара и об эффективности влагоудаления в ЦВД турбин. Это объясняется тем, что отсутствуют достоверные данные по осаждению влаги на поверхности при течении потока влажного пара высокой плотности (Р<3,0 МПа) со скоростями, характерными для проточной части и, соответственно, о возможности отсоса пленки жидкости через щели на поверхности профиля или канала. Известные опыты, проводимые при высоком давлении, были направлены лишь на исследование дисперсно-кольцевых потоков в трубках и трубопроводах малого диаметра при изучении процессов теплообмена.
Проблемы образования влаги и течения двухфазных сред были весьма актуальны в период выполнения основных исследований автора в связи с созданием серии турбоустановок для АЭС.
В последние годы актуальность этих исследований вновь возросла в связи с началом развития геотермальной энергетики в России. Как известно, геотермальные теплоносители (вода, влажный и перегретый пар) содержат до 200 видов различных примесей и газов. Опыт эксплуатации турбин ГеоЭС показал, что их проточные части интенсивно заносятся твердыми частицами, образующими отложения. Практически на всех ГеоЭС в мире установилась практика ежегодной замены проточных частей турбин (ротор и диафрагмы) в связи с их заносом различными отложениями. Поэтому сегодня весьма актуальны исследования механизма образования первичных жидких пленок и отложений в элементах турбин, а также разработка методов их предотвращения.
Цель работы:
Создание стендов, рабочих частей, систем измерений и разработка методов исследования во влажном паре при повышенном давлении пара.
Экспериментальное исследование особенностей расширения пара вблизи верхней пограничной кривой и определение локальной температуры потока на стенке в зоне переохлаждения пара.
Экспериментальное определение энергетических характеристик сопловой решетки в перегретом и влажном паре при повышенных значениях Re = (1,5-5,5)х106 и соотношении плотностей фаз pi/p2 = (1,7-7,5)х10"3.
Экспериментальное определение концевых потерь в сопловой решетке при течении перегретого и влажного пара повышенной плотности.
Экспериментальное определение закономерностей осаждения влаги на поверхность при течении потока влажного пара высокой плотности, влияние режимных параметров на возможность отсоса влаги через щели.
Исследование влияния отсоса влаги через щель на торцевой поверхности соплового канала на полные потери энергии в перегретом и влажном паре.
Научная новизна результатов, полученных автором, состоит в следующем:
Показано, что с увеличением скорости расширения потока пара в сопле Лаваля возрастает степень «захолаживания» стенки канала, т.е. увеличивается разность измеренной температуры на стенке и температуры насыщения по давлению в данной точке при переходе через верхнюю пограничную кривую.
Показано, что профильные потери на перегретом паре не автомодельны по критерию Рейнольдса (в диапазоне Re = (1,5-5,5)х106).
Показано существенное увеличение профильных потерь энергии при повышении соотношения плотностей фаз пара и воды рі/рг = (1,7-7,5)х10"3.
Установлено, что концевые (вторичные) потери в сопловой решетке при повышении давления перегретого и влажного пара возрастают.
Экспериментально показано превалирование процесса осаждения влаги из спутного потока влажного пара над уносом влаги с поверхности пленки.
Экспериментально показано устойчивое существование пленки жидкости на стенке даже при сверхзвуковых скоростях течения влажного пара.
Достоверность и обоснованность результатов.
Применение известных методик экспериментальных исследований, применение современных приборов, тщательная их поверка и тарировка, опробированная методика измерений, а также оценка погрешностей позволяют утверждать, что полученные экспериментальные данные вполне достоверны.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются их хорошей повторяемостью при проведении контрольных измерений.
Основные научные результаты, подтверждаются сравнительным анализом данных, полученных различными авторами и опубликованными в отечественной и зарубежной литературе.
Практическая ценность работы определяется тем, что:
Приведены практические зависимости влияния режимных параметров -скорости потока влажного пара, плотности, влажности пара на сепарацию влаги через щели на поверхности соплового канала.
Установлено существование «захолаживания стенки» - увеличения разности температуры на стенке и температуры насыщения по давлению в данной точке при истечении пара высокого давления со сверхзвуковой скоростью вблизи пограничной кривой.
Даны практические рекомендации по организации внутриканалыюй сепарации в проточной части влажнопаровой турбины.
Предложена модель внутриканальной сепарации влаги на профиле сопловой лопатки для внедрения в натурной турбине для ГеоЭС.
Личный вклад автора:
Автором выполнен ряд важных работ по созданию уникального стенда для исследования турбинных решеток и сопла при высоком давлении пара (Ро<3,0 МПа).
Разработаны и изготовлены уникальные датчики и зонды и с их помощью выполнены исследования процессов образования (возникновения) жидких пленок.
Установлены кризисные явления в соплах при расширении пара вблизи верхней пограничной кривой.
Внесены практические рекомендации при создании сепараторов и турбин ГеоЭС.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались:
На Всесоюзной конференции «Современные проблемы механики и технологии машиностроения» апрель 1989 г.
На VII Всесоюзной конференции «Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах» октябрь 1985 г.
На заседаниях кафедры паровых и газовых турбин МЭИ в 1992 и в 2000 г.
Публикации:
По результатам выполненных работ автором опубликованы статьи и тезисы
докладов и выпущено более десяти научно-технических отчетов по НИР.
Автор защищает:
Результаты экспериментальных исследований разницы температуры на стенке и температуры насыщения - «захолаживания стенки» в сопле Лаваля при переходе через верхнюю пограничную кривую.
Результаты экспериментальных измерений потерь энергии в зоне повышенного давления перегретого и влажного пара Re = (1,5-5,5)хЮб, Pi/p2 = (l,7-7,5)xl0-3.
Результаты экспериментальных измерений концевых (вторичных) потерь энергии в сопловой решетке при повышенном давлении.
Результаты экспериментальных измерений влияния режимных параметров скорости, влажности и плотности потока пара на сепарацию влаги через щели на плоской стенке.
Работоспособность предложенной модели внутриканальной сепарации влаги на торцевой поверхности соплового канала турбинной решетки.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 189 страницах, включает 87 страниц машинописного текста, иллюстрируется 102 рисунками, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 202 наименований.