Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературных источников и постановка задачи 12
1.1 Краткий обзор работ, посвященных исследованиям выхлопных патрубков паровых турбин 12
1.1.1 Характер течения пара в выхлопном патрубке энергетической паровой турбины 15
1.1.2 Факторы, влияющие на эффективность выхлопных патрубков 25
1.1.2.1 Влияние относительных размеров патрубка 25
1.1.2.2 Влияние входной закрутки потока 27
1.1.2.3 Влияние неравномерности входного поля скоростей и давлений 29
1.1.2.4 Влияние входной влажности потока 34
1.1.2.5 Влияние входной турбулентности потока 35
1.1.2.6 Диффузорные системы выхлопных патрубков паровых турбин 36
1.1.2.7 Влияние характерного времени патрубка 38
1.1.3 Влияние противовихревых решеток на потери энергии 39
1.1.4 Влияние противовихревых решеток на характер течения
и потери энергии в выхлопных патрубках паровых турбин 42
1.1.5 Анализ кризисных явлений в выхлопных патрубках 43
1.2 Краткий обзор работ, посвященных исследованию возмущающих факторов в системе паровпуска паровых турбин 46
1.2.1 Картина течения пара в регулирующих клапанах 53
1.2.2 Течение в трубопроводных системах 65
1.2.3 Некоторые способы снижения потерь, обусловленных кривизной канала 69
1.2.4 Вибрация системы регулирующий клапан - паропровод - сопловая коробка ЦВД 72
1.3 Постановка задачи исследования 73
Глава 2 Экспериментальные установки, методика измерений и используемые измерительные приборы 75
2.1 Описание воздушной аэродинамической трубы (ВАТ-1) 75
2.2 Описание экспериментальной установки клапанов (ЭУК) 77
2.3 Система измерений на установке ЭУК 78
2.4 Экспериментальная модель для исследования выхлопных патрубков 84
2.5 Установка для исследования эффективности гашения пульсаций давления с помощью аэродинамических фильтров 87
2.6 Методика экспериментального определения коэффициента полных потерь энергии в выхлопных патрубках 90
2.6.1 Сравнение различных методов определения коэффициентов полных потерь 90
2.6.2 Расходный метод определения коэффициентов полных потерь энергии в выхлопных патрубках 93
2.6.3 Оценка погрешности измерения 98
2.7 Описание измерительного комплекса МИК-300М 103
2.7.1 Прибор МИК-300М 103
2.7.2 Усилитель заряда МР-07 108
2.7.3 Используемые датчики 109
2.8 Описание приборов для измерения виброперемещений и пульсации усилий на штоке 110
2.8.1 Виброизмерительный прибор "Агат" 111
2.8.2 Многофункциональный прибор «Handyscope-2» 113
Глава 3 Исследование мер повышения эффективности выхлопных патрубков паровых турбин и пути снижения вибрации их корпусов 116
3.1 Исследование бездиффузорных выхлопных патрубков 117
3.2 Результаты исследований бездиффузорных выхлопных патрубков с противовихревыми решетками 126
3.3 Исследование диффузорных выхлопных патрубков 133
3.3.1 Исследования диффузорных выхлопных патрубков при различном положении обвода диффузора относительно входного сечения 133
3.3.2 Исследование влияния противовихревых решеток на характеристики диффузорных выхлопных патрубков 145
3.4 Влияние противовихревых решеток на пульсации давления в выходном сечении выхлопного патрубка 150
Глава 4 Исследование вибрационного состояния системы паровпуска паровых турбин с выносными регулирующими клапанами и некоторые способы повышения вибрационной надежности системы клапан-паропровод 156
4.1 Некоторые результаты исследований вихрегасителей различного типа 157
4.2 Результаты исследований системы клапан-трубопровод 163
4.2.1 Влияние дискового вихрегасителя на вибрационное состояние системы клапан-трубопровод при использовании диффузорного седла с углом раскрытия а =10 164
4.2.2 Влияние вихрегасителя на вибрационное состояние системы клапан-трубопровод при использовании диффузорного седла с углом раскрытия 7 176
4.2.3 Влияние угла раскрытия диффузора на величину динамических сил на штоке клапана при наличии в его конструкции эффективных аэродинамических демпферов 178
4.3 Конструктивное выполнение аэродинамических фильтров 183
Заключение 196
Список использованных литературных источников 199
- Характер течения пара в выхлопном патрубке энергетической паровой турбины
- Описание экспериментальной установки клапанов (ЭУК)
- Результаты исследований бездиффузорных выхлопных патрубков с противовихревыми решетками
- Результаты исследований системы клапан-трубопровод
Введение к работе
В настоящее время целесообразность работ по совершенствованию различных элементов паровых турбин не вызывает сомнения. Многолетний опыт эксплуатации турбоустановок свидетельствует, что до настоящего времени все еще имеются неиспользованные резервы повышения экономичности выхлопных патрубков и регулирующих клапанов, причем в ряде случаев указанные устройства не соответствуют необходимым требованиям надежности. В значительной степени снижение надежности происходит в результате возникновения больших пульсаций параметров потока в проточных частях патрубков, клапанов и связанных с ними паропроводов, а высокие гидравлические потери в указанных узлах турбины существенно ухудшают экономичность всей ПТУ.
В работе рассматривается вопрос активного воздействия на поток с помощью специальных устройств с целью снижения вибрации и потерь энергии в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах.
Актуальность темы диссертации
Регулирующие клапана и выхлопные патрубки существенным образом влияют как на экономичность, так и на показатели надежности паровых турбин. При этом указанные важнейшие показатели работы турбоустановок в значительной степени зависят от характера течения рабочих сред в тех или иных проточных частях.
Как в регулирующих клапанах, так и в выхлопных патрубках течение пара носит нестационарный характер с ярко выраженной вихревой структурой. Отмеченные особенности наиболее ярко проявляются в случае использования выносных регулирующих клапанов, связанных с сопловыми коробками турбины относительно длинными паропроводами с несколькими
7 последовательными поворотами на 90. В таких системах наблюдается очень высокий уровень пульсаций давления, что ведет в конечном счете к повышенной вибрации как самого регулирующего клапана, так и последующего паропровода.
Аналогичная картина имеет место и в выхлопных патрубках, где на пути от лопаток последней ступени до конденсатора пар движется по очень сложной проточной части и сворачивается в вихревые шнуры и крупные вихревые образования. В результате резко увеличиваются потери энергии, гидравлическое сопротивление, пульсации давления в потоке и вибрация корпуса патрубка. Последнее обстоятельство может привести к снижению вибрационной надежности ротора цилиндра низкого давления, так как на многих турбинах подшипники встроены непосредственно в корпус патрубка
цнд.
Приведенные соображения достаточно убедительно свидетельствуют об актуальности работы, призванной стабилизировать течение в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах и за счет этого снизить потери энергии и уровень вибрации рассматриваемых устройств паровых турбин.
Объекты исследования
Предметом исследования являются выхлопные патрубки, регулирующие клапана и паропроводы высокого давления, соединяющие выносные клапана с сопловыми коробками паровой турбины.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является изучение влияния систем стабилизации течения на экономичность и вибрационное состояние выхлопных патрубков и систем регулирующий клапан - паропровод высокого давления. Для решения поставленной задачи необходимо:
провести анализ характера течения в проточных частях рассматриваемых элементов с целью определения причин их вибрации и высокого уровня пульсаций давления в рабочей среде;
разработать эффективные устройства (аэродинамические фильтры), способные путем воздействия на структуру потока снизить уровень вибрации, а в некоторых случаях и потери энергии;
провести сравнительные исследования аэродинамических фильтров;
получить достоверные опытные данные, позволяющие объективно оценить влияние аэродинамических фильтров на вибрационное состояние выхлопных патрубков, клапанов и паропроводов высокого давления, а также выяснить их влияние на потери энергии в указанных объектах исследования.
Методы исследований и достоверность полученных результатов
Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивалась использованием высокоточной современной измерительной аппаратуры, высокой повторяемостью опытных данных, применением общепринятых методик обработки экспериментальных данных и опытом эксплуатации натурного оборудования, где были использованы предлагаемые решения.
Научная новизна работы состоит:
- в проведении испытаний регулирующих клапанов совместно с
последующим паропроводом высокого давления;
в разработке и исследовании новых способов снижения вибрации паропроводов, регулирующих клапанов и выхлопных патрубков, основанных на активном аэродинамическом воздействии на поток рабочего тела в указанных объектах;
в сравнительной оценке эффективности патрубков путем тензометрирования усилий на задней стенке выхлопного патрубка.
9 Практическая ценность работы
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для снижения вибрации регулирующих клапанов, паропроводов высокого давления и выхлопных патрубков паровых турбин.
Полученные данные свидетельствуют, что в ряде случаев установка аэродинамических фильтров приводит также к снижению сопротивления как паропроводов высокого давления, так и выхлопных патрубков.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании рассматриваемых узлов для новых турбин, а также для модернизации имеющихся.
Кроме того, разработанные новые способы аэродинамической защиты стенок трубопроводов от действия возмущенного потока, поступающего в них после регулирующих клапанов, способствуют повышению срока службы этих трубопроводов.
На защиту выносятся:
результаты исследования бездиффузорных и диффузорных выхлопных патрубков с противовихревыми решетками, установленными ниже горизонтального разъема, а так же влияние положения внешних обводов диффузоров относительно входного сечения на экономические показатели патрубков при наличии во входном сечении высокоскоростной струи;
результаты исследования влияния угла раскрытия диффузорных седел регулирующих клапанов на их вибрационное состояние;
результаты исследования вибрационного состояния системы регулирующий клапан - паропровод и исследования развития пульсаций давления в проточной части такой системы;
результаты исследования воздействия неравномерного поля скоростей на развитие пульсаций в конических диффузорах выхлопных патрубков и клапанов;
результаты исследований степени гашения пульсаций давления с помощью перфорированных и щелевых гасителей;
методика оценки эффективности выхлопных патрубков с помощью тензометрирования усилий на его торцевой стенке.
Аннотация диссертационной работы по главам
В первой главе рассматриваются предшествующие исследования, посвященные выхлопным патрубкам, регулирующим клапанам и течению в трубопроводах, которые соединяют эти клапана с сопловыми коробками паровых турбин. Показано, что поток пара в выхлопных патрубках носит ярко выраженный вихревой характер, существенно ухудшающий энергетические характеристики патрубка. Рассмотрены некоторые способы снижения интенсивности вихрей. Здесь же приводится и обзор работ, затрагивающих вопросы изучения структуры потока в клапанах и трубопроводах. Поток рабочего тела в проточных частях клапанов и трубопроводов характеризуется высокой степенью нестационарности и включает в себя интенсивные вихревые образования. Подробно рассмотрен механизм образования вихрей и вторичных течений из-за наличия в трубопроводе поворотных колен. По существу, до настоящего времени отсутствуют практические способы изменения характера течения в сложных трубопроводных системах, хотя во многих случаях именно от структуры потока зависит вибрационное состояние трубопроводов.
Во второй главе приводятся данные по экспериментальным установкам, на которых производились исследования средств стабилизации потока в выхлопных патрубках, клапанах и паропроводах высокого давления. Подробно описан расходный метод определения коэффициентов полных потерь патрубков, методы исследований средств стабилизации потока. Впервые для оценки аэродинамических качеств выхлопных патрубков использован метод тензометрирования. Приводятся описания систем измерений и приборного обеспечения, включающего в себя современные отечественные и зарубежные
11 измерительные приборы, а так же оценивается погрешность проводимых измерений.
В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований диффузорных и бездиффузорных выхлопных патрубков как с противовихревыми решетками, так и без них. Показано, что путем установки этих решеток возможно снизить потери энергии в системе выхлопа паровой турбины. Приводятся данные по оптимизации расположения указанных решеток в патрубке с целью повышения его эффективности.
В четвертой главе представлены результаты исследований регулирующих клапанов совместно с последующими трубопроводами и рассмотрены способы повышения вибрационной надежности рассматриваемой системы за счет активного аэродинамического воздействия на поток. Исследования проводились на экспериментальных установках, одна из которых была создана специально для исследования гасителей пульсаций параметров потока (вихрегасителей), а другая представляла собой модель клапана, соединенного с последующим сложным трубопроводом. Это позволило определить рациональную конструкцию указанного гасителя, а так же рассмотреть его влияние на работу регулирующих клапанов. Описаны конструкции промышленных вихрегасителей, созданных для снижения уровня вибрации паропроводов паровых турбин.
В заключении приведены основные выводы по проделанной работе.
Все экспериментальные исследования в рамках данной работы выполнялись в газодинамической лаборатории кафедры Паровых и Газовых Турбин Московского Энергетического Института.
Характер течения пара в выхлопном патрубке энергетической паровой турбины
В настоящее время имеется довольно большое количество работ, посвященных исследованию характера течения в выхлопном патрубке паровой турбины с подвальным расположением конденсаторов.
Одной из первых работ в этом направлении является работа [6]. На рис. 1.1 схематично показаны основные направления движения потоков пара в патрубке без внутренних элементов.
Первый поток выходит из нижней части ступени и идет по кратчайшему пути в конденсатор, растекаясь по задней стенке патрубка. Таким образом, он совершает поворот всего на 90. Толщина струи этого потока невелика, но ее скорость оценивается как 6-7 кратная относительно среднерасходной скорости на срезе патрубка.
Второй поток выходит из верхней части ступени. Далее, достигая крышки корпуса, поток делится на две части. Части потока движутся в противоположных направлениях - к передней и задней стенкам патрубка. Часть потока, идущая к задней стенке, поворачивается вдоль нее и сворачивается в вихревой шнур, спускающийся в конденсатор. Скорость потока по винтовой образующей этого вихря оценивается как 5-8 кратная относительно среднерасходной. В то же время расходная составляющая скорости в этом вихре довольно низка. Таким образом, этот вихрь существенно уменьшает эффективную проходную площадь патрубка. Другая часть потока, идущая к передней стенке патрубка, сворачивается в вихревой шнур противоположной закрутки.
Второй поток на своем движении в конденсатор преодолевает самый большой путь. Соответственно, этот поток испытывает самое большое сопротивление. Третий поток располагается в зоне между первыми двумя. По сути дела, он является продолжением второго потока. Часть пара из этого потока вовлекается во вращательное движение струек второго потока. Таким образом, происходит вовлечение в вихревое движение дополнительных объемов рабочего тела.
Если рассмотреть картину течения в плоскости, перпендикулярной продольной оси вихревого шнура, то распределение окружных скоростей в этой плоскости будет качественно соответствовать картине, изображённой на рис. 1.3, где область собственно вихревого движения сосредоточена в вихревом ядре, ограниченном окружностью радиуса Т\. Внутри этого ядра среда вращается по закону твёрдого тела с угловой скоростью со и окружной скоростью Со = со г. За пределами вихревого ядра (г Г]) при отсутствии сил трения скорости
В случае прямолинейной оси вихревого шнура сох = соу = 0 и осевая составляющая скорости W = 0. Именно этот случай имеет место в нижней от горизонтального разъёма части выхлопного патрубка, где сформировавшиеся в верхней части вихревые шнуры имеют уже прямолинейную продольную ось.
Поскольку в области ядра расходная составляющая скорости потока W = 0, то эффективная проходная площадь (т.е. площадь с отличной от нуля скоростью W) в нижней половине патрубка сокращается на величину, равную площади поперечного сечения вихревого шнура. Доля сокращения проходной площади максимальна в области горизонтального разъёма патрубка, где геометрическая площадь по отношению к другим сечениям минимальна.
Соответственно с учётом реальной вихревой картины течения в плоскости горизонтального разъёма патрубка располагается минимальная эффективная площадь, определяющая его расходную характеристику.
Естественно, действительная картина течения оказывается ещё более сложной т.к. вихревое ядро индуцирует окружные скорости Со и за его пределами (соотношение 1.1), что так же ведёт к росту общего гидравлического сопротивления патрубка.
Описанный в работе [6] патрубок имеет большое расстояние от плоскости выхода пара из последней ступени до торцевой (задней) стенки, т.е. достаточно большое осевое расстояние. При уменьшении этого расстояния определяющими в структуре течения становятся вихри 1 и 3 (рис. 1.2), идущие вдоль передней стенки. Вихри же 2 и 4 уменьшаются в размерах и локализуются в угловых зонах между боковой и задней стенками.
Теоретические расчетные работы содержат близкие данные. Например, в материалах Второй Европейской Конференции по турбомашинам (2nd European Conference on TURBOMACHINERY - FLUID DYNAMICS AND THERMODYNAMICS, Antwerpen (Belgium) March 5-7, 1997) имеется работа [8], в которой приводятся результаты расчетов выхлопного патрубка паровой турбины. Патрубок имеет небольшое осевое расстояние. Схема течения пара в рассматриваемом случае представлена на рис. 1.4.
Авторы говорят о двух вихрях (в левой и правой частях патрубка), которые приводят к росту потерь в патрубке («Эти вихри ответственны за большую часть потерь в выхлопном патрубке». Р. 25). Аналогичные результаты расчетов (наличие двух вихрей большой интенсивности) можно видеть и в других работах, например в [9] и др.
Экспериментальные исследования позволили прояснить некоторые особенности течения пара в выхлопном патрубке, в частности течение пара в патрубке с внутренними элементами. Например, в работе [10] описан патрубок с установленным внешним обводом, который вместе с внутренним конусом образует осерадиальный диффузор. Картины течения в сборной камере патрубка для до- и околозвукового диапазона скоростей [11]. Интересные данные приводятся в работе [11]. Здесь дана картина течения для патрубка с осерадиальпым диффузором при безразмерных скоростях потока во входном сечении, равных Mi = 0,4 и М, = 0,8 (рис. 1.5). Отмечается, что в околозвуковом диапазоне скоростей «у потока на входе в патрубок в его осерадиальном диффузоре за счет радиального отклонения на относительно малой длине внешней стенки (обечайки) могут формироваться локальные зоны сверхзвуковых скоростей» (стр. 30). Аналогичное утверждение имеется и в работе [12].
Исследование средств стабилизации течения в каналах выхлопных патрубков цилиндров низкого давления паровых турбин содержаться в работе [11], где проверена эффективность методов активного воздействия на закрученный поток. При этом указывается, что «даже незначительные изменения в области закрутки могут радикально изменить все поле течения» (стр. 32). Отмечается сложный механизм процессов в закрученном течении и указывается, что сборную камеру следует рассматривать как начальный участок в формировании закрученного потока.
Описание экспериментальной установки клапанов (ЭУК)
ЭУК является многоцелевым стендом позволяющим проводить исследования аэродинамических и силовых характеристик различных видов клапанов паровых турбин, как комбинированных стопорно-регулирующих, так и отдельно стопорных или регулирующих клапанов в широком диапазоне чисел М и Re. Кроме определения расходных и силовых характеристик экспериментальная установка позволяла проводить измерения виброперемещений, виброскоростей и виброускорений в характерных точках клапана.
Схема установки представлена на рис. 2.2. Она состоит из клапанной коробки (1), подводящего трубопровода (2) и бака-ресивера (3), который крепится на ресиверном баке (4) воздушного стенда ВАТ-1. Ресиверный бак соединён с компрессором (5) линией подвода рабочего тела (6), снабженной стопорной задвижкой (7) и регулирующим вентилем (8). Мерное сопло (9) позволяет контролировать расход рабочего тела через исследуемый объект. При монтаже на ВАТ-1 экспериментальной установки ЭУК прежняя штатная система измерений дополнялась специальной измерительной техникой (см. раздел 2.3). Подвод рабочего тела (воздуха) в клапанную коробку может быть как симметричным (двухсторонним, через две ветки подводящего трубопровода 2), так и односторонним (через одну из веток).
Помимо измерений непосредственно на аэродинамической трубе ВАТ-1 (измерения перепада давления на мерное сопло, температуры рабочего тела и т.д.) во время исследования регулирующих клапанов проводился ряд измерений, в том числе и измерения непосредственно на ЭУК. Схема системы измерений установки с последующим трубопроводом приведена на рис. 2.3. Рабочее тело (воздух) поступало от нагнетательного трубопровода в рессиверный бак (1), откуда по двум горизонтальным подводящим трубопроводам (2) воздух подводился к исследуемой модели клапана. Затем, проходя трубопровод (3) он сбрасывался в атмосферу через специальные окна (13).
Для измерения усилия, а также амплитуды и частоты её пульсаций на штоке клапана был установлен специальный тензорезисторный преобразователь силы (силоизмеритель) в разрыв исследуемой силовой цепи между штоком и подъемным механизмом (7) (динамометрирование). Чувствительным элементом тензорезисторного преобразователя силы являлся S-образный упругий элемент с установленными на нём тензорезисторами (6).
Для измерения усилия, а также амплитуды и частоты её пульсаций на штоке клапана был установлен специальный тензорезисторный преобразователь силы (силоизмеритель) в разрыв исследуемой силовой цепи между штоком и подъемным механизмом (7) (динамометрирование). Чувствительным элементом тензорезисторного преобразователя силы являлся S-образный упругий элемент с установленными на нём тензорезисторами (6). Измерение усилия на штоке исследуемого клапана осуществлялось при различных его - h относительных подъёмах h = — (где h - абсолютный подъём клапана, dr d! диаметр узкого сечения седла); и различных перепадах давления на клапане є2 = — (здесь ро - давление полного торможения в клапанной коробке, р2 давление на выходе из клапана). Эти давления измерялись U-образными манометрами с ценой деления 1 мм. вод. ст. или образцовыми манометрами класса точности 0,15.
Проведённые наладочные исследования вибросостояния трубопровода позволили сделать несколько наблюдений. Было установлено, что максимальные виброперемещения трубопровода происходят за его первым поворотом в точке установки датчика (8). Виброперемещения, измеренные в других измерительных точках, имеют меньшие значения амплитуды и размаха. В этой связи именно сечение трубопровода после первого его поворота на 90 было принято в качестве базового при оценке степени влияния клапана на характер течения рабочей среды в последующем трубопроводе.
Вибрация корпуса клапана (4) измерялась в горизонтальном направлении контактным датчиком вибрации (5). В ряде экспериментов проводились дополнительные измерения вибрации клапанной коробки в осевом направлении, в этом случае устанавливался ещё один датчик вибрации на крышку корпуса клапана (4). Как уже отмечалось, виброперемещения трубопровода измерялись в нескольких точках. Варианты установки вибродатчиков показаны на рисунке (8, 9, 10, 11, 12).
Для измерения усилий на штоке клапана был использован современный многофункциональный измерительный инструмент «Handyscope-2» разработанный фирмой "TiePie engineering" (Нидерланды). С его помощью были получены данные с S-образного упругого элемента (6).
Виброперемещение и виброскорость как корпуса клапана, так и последующего трубопровода (3) измерялось современными измерительными приборами "Агат" компании "ДИАМЕХ" (Российская Федерация) и "smartSCANNER" компании "PRUFTECHNIK" (Германия). Приборы отчасти дублировали друг друга, показав одинаковые результаты измерений, подтверждая тем самым достоверность проводимых измерений. Основным измерительным прибором являлся прибор для измерения, анализа и регистрации параметров нестационарных процессов МИК-300М (производство НПП "Мера", Российская Федерация). Более подробная информация об измерительных приборах приводится в следующих разделах. Для получения данных по сопротивлению как клапана, так и последующего тракта в характерных точках с помощью водяных или пружинных манометров измерялись статические давления и давления полного торможения.
Результаты исследований бездиффузорных выхлопных патрубков с противовихревыми решетками
Схема модели бездиффузорного выхлопного патрубка с противовихревыми решетками представлена на рис. 3.5 и 3.6, где показаны вид со стороны выхода потока (рис. 3.5) и вид сбоку на противовихревые решетки. Эти решетки представляют собой пластинчатые конструкции, схематично показанные на рис. 3.7. Здесь 1 - горизонтальная пластина, 2 - вертикальные пластины. В данном случае использовались четыре вертикальные пластины. Высота решеток подбиралась таким образом, чтобы они занимали все осевое расстояние патрубка, как это показано на рис. 3.5 и 3.6.
Все исследования по изучению влияния противовихревых решеток на характеристики патрубка проводились при трёх безразмерных осевых расстояниях L = L / /, равных соответственно L = 1,4; 2,0; 2,5.
При сокращении размеров L уменьшалась и длина пластин, образующих решётку. Все исследования проводились в области автомоделыюсти по числу Re при достаточно широком диапазоне изменения безразмерной скорости Х\ на входе в выхлопной патрубок.
Результаты этих исследований показаны на рис. 3.8 в виде зависимости коэффициента полных потерь энергии п от безразмерной скорости X,i, при фиксированном значении осевого расстояния L, равного 2,5. Для сравнения даны зависимости как для патрубка без всяких внутренних элементов (свободный корпус) (кривая 1), так и для патрубка с установленными противовихревыми решётками .
Сравнение результатов исследований бездиффузорных патрубков с противовихревыми решетками (кривая 2) и без них (кривая 1).
Характер рассматриваемых зависимостей с увеличением скорости Х\ в обоих сравниваемых случаях оказался практически одинаковым. Однако потери в патрубке с противовихревыми решётками во всём испытанном диапазоне скоростей Х\ снизился на 10 - 15%. В данном случае нельзя говорить о погрешности эксперимента, так как приведённые зависимости фиксируют весьма существенный положительный эффект, связанный с разрушением сплошных вихревых шнуров, характерных для картины течений в корпусах выхлопных патрубков.
Физический смысл этого можно пояснить следующим. При установке противовихревых решёток нарушаются условия беспрепятственного формирования вихревых шнуров и серьёзно увеличивается эффективная проходная площадь в суженном сечении патрубка. В результате локальные скорости в этом сечении снижаются, приближаются к среднерасходным величинам т.е. происходит выравнивание поля скоростей в суженом сечении патрубка.
Согласно полученным результатам добавочные потери, связанные с разрушением сплошных вихревых шнуров, оказываются намного меньше того положительного эффекта, который достигается при использовании противовихревых решёток. Дальнейшая проверка их влияния на характеристики патрубков проводилась на моделях с уменьшенными осевыми размерами L. Полученные при этом результаты полностью подтвердили сделанный вывод.
Хорошо видно, что положительный эффект от установки в корпусе патрубка противовихревых решёток сохраняется при всех исследованных осевых расстояниях L, причём с уменьшением этой величины доля снижения потерь энергии А п несколько увеличивается. Так, если при L- 2,5 Д і 12-13%, то для L = 1,82 величина Atji возрастает до 16 - 18%. Эти результаты находятся в полном соответствии с рассмотренным выше механизмом воздействия противовихревых решёток на картину течения рабочей среды в выхлопных патрубках.
Действительно, с уменьшением осевого расстояния L снижается геометрическая проходная площадь на горизонтальном разъёме и степень снижения эффективной проходной площади за счёт возникновения вихревых шнуров возрастает. Соответственно растёт положительный эффект от разрушения сплошного вихревого шнура.
Все внешние воздействия, которые в той или иной степени влияют на характер течения рабочих сред в выхлопном патрубке турбомашины, отражаются на величине суммарных сил, действующих на его стенки. Максимальное усилие действует на заднюю торцевую стенку и это усилие при отсутствии диффузора является объективным показателем гидравлического сопротивления выхлопного патрубка. Чем выше значения силы, действующей на заднюю торцевую стенку, тем более высоким является коэффициент полных потерь энергии п 131
Таким образом, измеряя рассматриваемое усилие при фиксированной скорости во входном сечении патрубка можно объективно оценить целесообразность тех или иных внутренних конструктивных изменений. Такой метод исследования эффективно дополняет существующие методы, а при сравнительных исследованиях полностью исключает возможную экспериментальную ошибку.
Некоторые результаты проведённых измерений сил, действующих на заднюю торцевую стенку исследуемой модели выхлопного патрубка, приведены на рис. 3.10. Здесь при всех избыточных давлениях воздух перед установкой ДР в качестве базы для сравнения использованы силы, измеренные в бездиффузорном патрубке без всяких внутренних элементов.
При установке противовихревых решёток все силы относительно базовых величин снизились (средние значения сил на осциллограммах рис. ЗЛО), что так же подтверждает положительный эффект предложенного решения.
Во всех случаях при установке противовихревых решёток динамические составляющие сил, действующих на торцевую стенку патрубка снижаются в 2-3 раза, что полностью соответствует данным [31].
Результаты исследований системы клапан-трубопровод
Вся серия этих опытов проводилась на установке, приведенной на рис. 2.3, где выходное сечение клапанной коробки жестко соединялось с трубопроводной системой, моделирующей паропроводы подвода пара к регулирующей ступени турбины К-800-240 ЛМЗ.
Основная цель проводимых исследований состояла в поисках мер, обеспечивающих повышение вибрационной надежности системы паровпуска паровых турбин с выносными регулирующими клапанами. В соответствии с этой целью основные измерения сводились к измерениям виброперемещений и виброскоростей в характерных точках исследуемой модели, к измерению пульсаций давления в клапанной коробке, за диффузором клапана и за первым поворотом трубопровода на 90. Естественно, при всех указанных измерениях снимались и осциллограммы усилий на штоке исследуемого клапана. В данном случае использовались новые профилированные клапана разгруженного типа с разгрузкой через три пояса отверстий перфорации на обтекаемой поверхности чаши.
Исследования проводились с двумя клапанами, которые отличались только углами раскрытия диффузорных седел. В этой серии опытов рассматривались седла с углами раскрытия а, равными 10 и 7.
В качестве основного способа снижения вибрации рассматриваемой системы паровпуска использовался дисковый перфорированный вихрегаситель, который устанавливался сразу после первого поворота на 90 отводящего трубопровода.
При испытаниях клапанов без трубопровода было показано, что вибрационное состояние клапана очень сильно зависит от угла раскрытия клапанного диффузора а. Уровни виброперемещений и пульсаций давления в потоке при уменьшении угла ас 10 до 7 снижались почти в 2 - 2,5 раза.
Естественно было ожидать, что аналогичная картина сохранится и при испытаниях клапанов совместно с последующими трубопроводами. При этом наибольший интерес с точки зрения возможностей снижения вибрации всей рассматриваемой системы с помощью вихрегасителей представляет клапан, диффузорное седло которого имеет а = 10, т.к. при этом угле наблюдается существенно более сильные возмущения в потоке, поступающем в трубопровод, чем при а = 7.
Предварительные измерения поперечных виброперемещений трубопровода, соединенного с клапаном, имеющим угол раскрытия седла а = 10, в области первого поворота потока на 90 показали (рис. 4.9) что их величина по мере открытия клапана увеличивается с 10 до 20 мкм при h = 0,25 , а затем снижаются до 12 мкм.
При установке вихрегасителя для h 0,1 характер зависимости А = f(h) почти сохранился но величина виброперемещений А снизилась на 60 - 80 %. Контрольные замеры виброперемещений по всей длине сложного трубопровода зафиксировали примерно такое же снижение поперечных виброперемещений во всех его точках. Положительное влияние используемого вихрегасителя было отмечено не только на трубопроводе, но и на самом клапане.
Представленная на рис. 4.10 зависимость A = f(A) на корпусе клапана указывает на заметное снижение поперечных виброперемещений при больших подъемах клапана (h 0,22). Поскольку все рассматриваемые исследования проводились при постоянном давлении в клапанной коробке (АР0 = 60 кПа), то отмеченное снижение виброперемещений на корпусе клапана при установке вихрегасителя можно объяснить сильным его обратным влиянием при больших расходах воздуха через клапан. Это влияние было отмечено и при измерении осевых виброскоростей (рис. 4.11) и виброперемещений (рис. 4.12) на штоке клапана. Здесь, правда, максимальное снижение измеряемых величин было обнаружено в той области, где на шток действуют максимальные осевые усилия (А = 0,154).
Положительное влияние вихрегасителя на вибрационное состояние всей системы нельзя связывать только с фактом снижения виброперемещений на трубопроводе, жестко связанном с корпусом клапана. В [3] указывается на возможность перестройки течения не только за, но и перед вихрегасителем.
Для проверки этой гипотезы были проведены измерения пульсаций давления в клапанной коробке и за диффузором клапана как при отсутствии вихрегасителя, так и при его установке. На рис. 4.13 показано, как в этом случае меняется средняя величина пульсаций давления по мере подъема клапана.
Из приведенных зависимостей хорошо видно, что при всех подъемах клапана установка вихрегасителя приводит к снижению средней величины пульсации давления в клапанной коробке. Отмеченное снижение пульсаций давления может произойти только в случае серьезного изменения условий течения во всей проточной части клапана до места установки вихрегасителя.
Здесь же следует обратить внимание на весьма высокий общий уровень пульсаций давления в клапанной коробке. Относительно начального давления в рессивере установки АР0 пульсации давления перед клапаном достигают 10 - 17 %. Примерно такой же порядок относительной величины пульсаций давления был зафиксирован и на работающей турбине К-800-240 [34].
В обозначенных на рис. 4.13 точках были сняты и осциллограммы пульсаций давления, показанные на рис. 4.14 и 4.15.
Сравнивая осциллограммы в характерных точках (1-5, 2-6, 3-7, 4-9) можно отметить не только некоторое снижение амплитуды пульсаций давления, но и возрастание частоты пульсаций. Такой результат прямо связан с изменением структуры потока, т.к. частота пульсаций параметров потока определяется размерами возникающих вихревых образований. Чем меньше их размеры, тем выше регистрируемая частота пульсаций [4]. Высокие частоты пульсаций давления, превышающие 2-3 кГц связывают обычно с уже чисто турбулентным течением.
