Анализ эффективности вариантов выхлопного отсека паровой турбины

Представлены результаты численного исследования газодинамических и энергетических характеристик выхлопного отсека цилиндра низкого давления, включающего последнюю ступень с рабочей лопаткой длиной 1100 мм и выхлопной тракт, в условиях их взаимовлияния. Разработаны модели вариантов отсека, включающие межступенчатый зазор, отбор пара перед диафрагмой последней ступени, два отсоса пара из межвенцового зазора с камерой влагоудаления, надбандажные протечки, инжекцию пара из камеры влагоудаления в диффузор. Течение в расчетной области описывается полной системой нестационарных уравнений Навье – Стокса, осредненных по Рейнольдсу – Фавру. Турбулентные эффекты описаны на основе модели Ментера SST в ступени и модифицированной модели Спаларта – Аллмараса в тракте. Интегрирование системы уравнений осуществлялось с помощью авторского программного комплекса MTFS^®. Расчетные подобласти аппроксимировались гексагональными сетками. Использовалась неявная разностная TVD-схема конечных объемов 2-го порядка точности на базе решения задачи Римана. При вычислении применяли вариант алгоритма, основанного на расщеплении вычислительного процесса для многопроцессорных платформ. Модель ступени использует осреднение потоков массы, импульса и энергии в окружном направлении в межступенчатом зазоре. Рассчитывались один канал диафрагмы с предвключенным фрагментом, а также один канал рабочего венца и течение в патрубке. Обмен параметров между ступенью и патрубком осуществлялся на основе осреднения по массовому расходу. Расчеты выполнены на базе табличной модели влажного пара в приближении равновесной конденсации. Рассмотрены направления совершенствования проточной части выхлопного отсека. Выполнено исследование работы вариантов отсека для номинального режима турбины К-220-44-2М АЭС «Ловииса». Проанализирована эффективность понижения крышки сборной камеры, управления потоком с помощью листовых ребер над обечайкой диффузора, расширения сборной камеры в плоскости горизонтального разъема, а также организации выхода избыточного пара из камеры влагоудаления через тангенциальные щели в нижней половине выпуклой оболочки диффузора.

1. Мигай, В. К. Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин / В. К. Мигай, Э. И. Гудков. Л.: Машиностроение, 1981. 272 с.

2. Дейч, М. Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин / М. Е. Дейч, А. Е. Зарянкин. М.: Энергия, 1970. 384 с.

3. Зарянкин, А. Е. Выхлопные патрубки паровых и газовых турбин / А. Е. Зарянкин, Б. П. Симонов. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 273 с.

4. Аэродинамическое профилирование и расчет выхлопных патрубков цилиндров низкого давления паровых турбин: РТМ 108.020.120-77. НПО ЦКТИ, 1979. 40 с.

5. Выхлопная часть осевой турбомашины: авт. св. SU1839520A1, СССР, 1989.

6. Исследование выхлопного патрубка ЦНД паровой турбины / В. Ф. Касилов и др. // Теплоэнергетика. 1990. № 5. С. 35–39.

7. Касилов, В. Ф. Исследование средств активного воздействия на закрученное течение в сборной камере выходных патрубков цилиндров низкого давления паровых турбин / В. Ф. Касилов // Теплоэнергетика. 2000. № 11. С. 28–33.

8. Научно-прикладной программный комплекс MTFS® для расчета трехмерных вязких турбулентных течений жидкостей и газов в областях произвольной формы: cертификат гос. регистр. авторских прав № 5921 / В. Г Солодов, Ю. В. Стародубцев. Укр. гос. агентство по авторским и смежным правам. 07.16.2002.

9. Солодов, В. Г. Опыт трехмерного моделирования сжимаемых вязких турбулентных течений в турбомашинах / В. Г. Солодов, Ю. В. Стародубцев // Аэрогидродинамика: проблемы и перспективы: сб. статей. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т, 2004. С. 134–157.

10. Merkle, C. Convergence Acceleration of the Navier-Stokes Equations Through Time-Derivative Preconditioning / C. Merkle, S. Venkateswaran, M. Deshpande // AGARD-CP578-NATO. 1995. P. 1–10.

11. Солодов, В. Г. Моделирование турбулентных течений. Расчет больших вихрей / В. Г. Солодов. Харьков: Харьк. нац. автодор. ун-т, 2011. 168 с.

12. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Н. Н. Афанасьева [и др.] Л.: Машиностроение, 1980. 263 с.

13. Исследование аэродинамических и энергетических характеристик выхлопного отсека ЦНД «ступень – диффузор» / В. Л. Швецов [и др.] // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Серія: «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». 2014. Т. 1055, № 12. C. 12–20.

14. Исследование аэродинамических и энергетических характеристик выхлопного отсека ЦНД / В. Л. Швецов [и др.[ // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Серія: «Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування». 2015. Т. 1124, № 15. С. 41–50.

15. Выхлопная часть паровой турбины: пат. SU1724903A1 СССР / Ю. Ф. Косяк, В. Н. Галацан, А. В. Гаркуша, Э. И. Гудков, В. А. Конев, В. Н. Сарабун, В. В. Тарасенко, Ю. А. Юдин. Опубл. 07.04.1992.

16. Сабуров, Э. Н. Аэродинамика и устойчивость потока в относительно длинных циклонных камерах / Э. Н. Сабуров, Д. А. Онохин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 527–538. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-527-538.

17. Сорока, Б. С. Эффективность использования газового топлива и окислительной смеси при их увлажнении / Б. С. Сорока, Н. В. Воробьев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 6. С. 547–564. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-547-564.