Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Комаров Олег Вячеславович. Исследования и одномерная оптимизация проточной части свободных силовых турбин с регулируемой первой ступенью приводных ГТУ и ГТД : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.12 Екатеринбург, 2005 141 с. РГБ ОД, 61:06-5/770

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ 13

1.1. Сложившаяся оценка влияния основных геометрических,
кинематических и термодинамических параметров
ступеней силовой турбины на ее КПД 13

  1. Некоторые конструктивные особенности современных свободных силовых турбин 31

  2. Эффективность использования регулируемого соплового аппарата в свободной силовой турбине 35

1.4. Постановка задач исследования 44
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ СИЛОВОЙ ТУРБИНЫ С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА
ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТУПЕНЕЙ 46

2.1. Математическая модель. Выбор основных параметров
математической модели ССТ 46

  1. Разработка математической модели ступени ССТ 51

  2. Исследование влияния коэффициентов расхода и нагрузки на КПД ступени свободной силовой турбины 57

2.4. Исследование влияния угла сс{ и кинематической степени
реактивности р на КПД ступени ССТ 64

Выводы по главе 2 70

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО СОПЛОВОГО АППАРАТА В СИЛОВОЙ ТУРБИНЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГТУ И ГТД ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК РСА 73

3.1. Регулируемый сопловой аппарат силовой турбины, как
дополнительный регулирующий орган в ГТУ и ГТД 73

  1. Выбор числа регулируемых ступеней в многоступенчатой СТ 75

  2. Разработка метода расчета КПД ступени силовой турбины с РСА и регулируемой СТ, состоящей из регулируемой

и нерегулируемых ступеней 77

  1. Исследование влияния поворота лопаток РСА на КПД регулируемой ступени 81

  2. Перераспределение теплоперепадов и степеней понижения давления при повороте лопаток СА. Определение диапазонов регулирования при использовании РСА 88 Выводы по главе 3 98

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ГТУ С
РЕГУЛИРУЕМЫМ СОПЛОВЫМ АППАРАТОМ В УСЛОВИЯХ
ЭКСПЛУАТАЦИИ. ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ РСА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ СТ ДЛЯ

РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ГТУ И БИНАРНЫХ ПТУ 100

4.1. Экспериментальные исследования ГТУ PGT-10 с
регулируемым сопловым аппаратом СТ в условиях эксплуатации 102

4.2. Возможности повышения эффективности регенеративных
ГТУ за счет применения регулируемой ступени силовой турбины 114

4.3. Возможности повышения эффективности сложных
энергетических установок созданных на базе газотурбинного
привода с РСА 120
Выводы по главе 4 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 13 5

Введение к работе:

Парк стационарных ГТУ и ГТД транспортного типа на российских газопроводах по состоянию на начало 2005 года превышает 4000 единиц суммарной мощностью более 35 тыс. МВт. Расширяется применение ГТД с силовыми турбинами (СТ) в локальных энергетических установках.

Как правило, на линейных компрессорных станциях, на головных сооружениях газопроводов и на станциях подземного хранения газа, где используются компрессорные машины - центробежные нагнетатели, они приводятся силовыми турбинами стационарных ГТУ или транспортных ГТД.

Первые силовые турбины газоперекачивающих агрегатов были преимущественно одноступенчатыми, затем по мере распространения ГТУ и ГТД с повышенной степенью сжатия число ступеней в СТ увеличилось вначале до двух, а в некоторых двигателях до трех и даже четырех.

Но только в силовых турбинах конструкции фирм "Дженерал Электрик", "Вестингауз" и "Нуово Пиньоне" имеется регулируемый сопловой аппарат, который используется для регулирования двигателя - он поддерживает постоянным частоту вращения компрессорного вала, обеспечивая тем самым более высокую мощность в летнее время и при снижении КПД турбомашин вследствие эксплуатационных воздействий. Вместе с тем при модернизации импортных ГТУ - переводе их на регенеративный цикл - не было реализовано важное преимущество регулируемых силовых турбин, - возможность перевода ГТУ на программу

управления с постоянной температурой за турбиной Тт = const 5 т.е. оптимизации системы управления. Для этого требовалась модернизация системы автоматического регулирования и изменение работы входного направляющего аппарата первой ступени осевого компрессора.

Однако регенерация теплоты - главный резерв повышения эффективности ГТУ стационарного типа — дает максимальный эффект при использовании регулируемых силовых турбин с реализацией программы

управления Тт = const.

В климатических условиях средней полосы России такая программа управления обеспечивает около четырех процентов экономии топлива.

При развитии децентрализованной теплоэнергетики важную роль стали играть конвертированные авиационные и судовые ГТД, которые при мощности 16...25 МВт могут выполняться с использованием теплоты уходящих газов в котлах-утилизаторах с выработкой электрической мощности с помощью паровых турбин. Электрогенератор таких двигателей приводится также свободными силовыми турбинами или непосредственно или через редуктор.

При неполных нагрузках и в холодное время года становится очень важным поддерживать расчетную температуру за турбиной. Иначе приходится снижать параметры пара перед паровой турбиной, чтобы избежать повышенной влажности в хвостовой части турбины и эрозионного повреждения лопаток.

И здесь на помощь приходит регулируемый сопловой аппарат силовой турбины. Воздействуя на поворотные сопла, можно держать повышенную температуру за газовой турбиной и избежать работы на скользящих параметрах пара.

Другой областью, где важно выдерживать постоянную температуру газа за турбиной, является применение ГТД в технологических процессах с

Соблюдением Т = COnSt.

Вместе с тем, применение поворотных лопаток в первой ступени силовой турбины позволяет в энергетических ГТД более эффективно использовать схемы STIG с добавлением пара из котла-утилизатора в зону

камеры сгорания. При таких схемах ограничения в подаче пара вызываются увеличением работы турбин и повышением частоты вращения газогенератора. Прикрытие лопаток на входе в СТ позволяет подавать больший расход пара и увеличить как электрическую мощность, так и эффективный КПД.

И при обычных схемах (без добавления пара) целесообразно прикрывать сопловые лопатки СТ в холодное время года и при неполных нагрузках с целью выдерживания постоянных оборотов КНД, а регулирование расхода воздуха с целью поддержания постоянной температуры за турбиной осуществлять прикрытием лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) компрессора.

Одной из причин отсутствия регулируемого соплового аппарата (РСА) в СТ энергетических и газотранспортных ГТД является мнение о повышенной сложности механизма поворота от сервопривода к поворотным лопаткам и ненадежной работы таких лопаток. Вместе с тем имеется обширный положительный опыт применения РСА при температуре газа перед СТ выше 650С при высокой надежности и эффективности регулируемой ступени в приводных ГТУ конструкции фирм "Дженерал Электрик" и "Нуово Пиньоне".

Другой причиной отказа от применения РСА в силовых турбинах ГТД является мнение о пониженной эффективности регулируемых ступеней осевых турбин вследствие вызывающих дополнительные потери углов атаки рабочих лопаток, изменения осевых межвенцовых и радиальных зазоров в РСА. Однако практика эксплуатации таких ступеней в ГПА на компрессорных станциях газопроводов (MS5002, PGT-10) не подтверждает этого.

При надлежащем выборе геометрических и газодинамических параметров регулируемых ступеней и соответствующей конструкции (со сферическими меридиональными обводами и подпружиненными

сопловыми лопатками для ликвидации радиальных зазоров) они обеспечивают высокую эффективность, что подтверждается многочисленными их испытаниями и расчетными исследованиями.

Более глубокое ознакомление с параметрами турбинных ступеней средней веерности, а именно из них выполняются силовые турбины, выявило большие резервы в повышении эффективности таких ступеней.

Цель работы

  1. На основе математического моделирования выявить возможности повышения внутренних КПД турбинных ступеней средней веерности приводных ГТУ и ГТД и, в частности, регулируемых ступеней, работающих при переменных углах обтекания.

  2. Исследовать эффективность применения силовых турбин с регулируемой первой ступенью в ГТУ регенеративного цикла и ГТД простого цикла в составе бинарных ПТУ. Провести испытания натурных ГТУ с регулируемыми ступенями силовых турбин с целью экспериментальной проверки результатов, полученных методами численного моделирования.

Научная новизна

Разработана математическая модель проточной части свободной силовой турбины с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) в первой ступени, с использованием которой показаны возможности достижения максимальных внутренних КПД ступеней осевых турбин средней веерности при различных значениях коэффициентов расхода и нагрузки с учетом изменения степени реактивности в одномерной постановке.

Уточнена математическая модель регулируемой турбинной ступени, что делает возможным ее использование при проектировании регулируемых ступеней новых осевых турбин. Установлено влияние

геометрических параметров, в частности, угла ссх, во взаимосвязи с кинематическими параметрами ступени на возможно достижимые значения КПД регулируемых ступеней.

Предложен метод учёта перераспределения работы расширения продуктов сгорания между газогенератором и силовой турбиной при использовании РСА.

Показано, что если управление ГТД с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины выполнять в основном в направлении прикрытия РСА на характерных режимах, то при использовании такого ГТД будет наблюдаться не снижение, а повышение КПД регулируемой ступени и всей турбины.

Практическая значимость

Показано, что для получения высоких значений мощностного КПД турбинных ступеней свободных турбин приводных ГТУ и ГТД необходимо ограничение коэффициента нагрузки диапазоном 1,1...1,5.

Установлено, что предпочтительный диапазон номинальных значений угла выхода из соплового аппарата для ступеней средней верности на среднем диаметре составляет 15... 17 при ограничении

величины коэффициента расхода са < О,5 .

Уточнена взаимосвязь между геометрическими параметрами, коэффициентом расхода и оптимальной степенью реактивности регулируемой ступени силовой турбины.

Показано, что параметры регулируемой ступени следует выбирать с таким расчетом, чтобы в процессе управления ГТД поворотом лопаток соплового аппарата преобладали режимы, при которых проходное сечение за РСА уменьшалось, вплоть до достижения минимального положительного значения степени реактивности рк в корне ступени.

Разработанная математическая модель силовой турбины с РСА первой ступени может использоваться для оценки экономичности ступени на среднем диаметре в широком диапазоне регулирования.

Автор защищает следующие положения

  1. Уточненную математическую модель проточной части свободной силовой турбины с регулируемой первой ступенью.

  2. Зависимости, позволяющие уточнить взаимосвязь значений максимально достижимых КПД ступеней осевых турбин средней веерности со степенью реактивности и коэффициентом нагрузки ступеней при различных коэффициентах расхода.

  3. Возможность достижения высокой эффективности проточной части свободной силовой турбины, состоящей из регулируемой и нерегулируемых ступеней.

  4. Необходимость учета первостепенного влияния геометрического угла

ссх на возможно достижимые значения КПД ступеней при их различных геометрических и кинематических параметрах.

  1. Взаимосвязь КПД регулируемой осевой турбинной ступени с углом поворота сопловых лопаток при различных геометрических и кинематических параметрах.

  2. Необходимость учета при проектировании положения о том, что если ГТД с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины выполнить

с преобладанием режимов прикрытия РСЛ на характерных режимах, то при использовании такого ГТД будет наблюдаться не снижение, а повышение КПД регулируемой ступени и всей турбины. 7. Взаимосвязь изменения площади выхода регулируемой ступени со степенью расширения ступени и достижимыми КПД при различных геометрических и кинематических параметрах.

Апробация работы

Основные положения и материалы диссертационной работы

докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и научно-
технических сессиях:

XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. РАН. Рыбинск. 25-26 сентября 2001 г.;

I отчетная конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ

- УПИ. Екатеринбург. 2001 г.;

II отчетная конференция молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ

- УПИ. Екатеринбург. 2002 г.;

L научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. РАН. Санкт-Петербург. 17-18 июня 2003 г.;

XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий. Миасс. 22-24 июня 2004 г.;

LI научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. РАН. Уфа. 21-23 сентября 2004 г.;

Третья международная научно-практическая конференция Регионального Уральского отделения Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова. Екатеринбург. 28-29 октября 2004 г.;

XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". Москва. 22-24 ноября 2004 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Общий объем диссертации 141 страница, в том числе 49 рисунков, 1 таблица. Библиографический список включает 75 наименований.

Подобные работы
Яганов Александр Михайлович
Экспериментальное исследование влияния режимных факторов на вибрационное состояние и ресурс рабочих лопаток последних ступеней мощных теплофикационных турбин
Россихин Сергей Юрьевич
Разработка и исследование перфорированных экранов и их влияние на надежность и экономичность последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин
Мосенжник Борис Юрьевич
Разработка и исследование конструкций направляющих аппаратов с устройствами для интенсификации дробления влаги в целях борьбы с эрозией рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин
Коновалов Роман Николаевич
Экспериментальные исследования расходных и динамических характеристик уплотнений для ступени с полным и парциальным подводом пара
Журавлев Юрий Иванович
Разработка, оптимизация и унификация проточных частей компрессорных машин газоперекачивающих агрегатов головных компрессорных станций
Жученко Лариса Александровна
Разработка, апробация и реализация методов повышения надежности и восстановления ресурса элементов проточной части паровых теплофикационных турбин
Ивановский Александр Александрович
Моделирование теплового и термонапряженного состояния критических узлов высокотемпературной части теплофикационных паровых турбин с целью повышения их надежности и маневренности
Ковалев Роман Васильевич
Разработка и реализация эффективных методик компьютерного исследования динамики и оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных экипажей
Козаченко Лев Иванович
Уточнение рекомендаций по оптимальному проектированию центробежных компрессорных ступеней на основе экспериментального исследования
Чин Сыси
Метод комплексной оптимизации исследования характеристик элементов и систем авиационных ГТД на основе модифицированного планирования эксперимента

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net