Повышение эффективности последней ступени цилиндра низкого давления паровой турбины за счет пространственного профилирования лопаток
Ключевые слова:
пространственное профилирование, численное моделирование, пространственное течение, газодинамическая эффективность, паровая турбина, последняя ступеньАннотация
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.Библиографические ссылки
Petinrin, J. O. & Shaaban, M. (2012). Overcoming challenges of renewable energy on future smart grid. Telkomnika, vol. 10, no. 2, pp. 229–234. https://doi.org/10.12928/telkomnika.v10i2.781.
(2017). Enerhetychna stratehiia Ukrainy na period do 2035 roku "Bezpeka, enerhoefektyvnist, konkurentospro-mozhnist" [Ukraine's energy strategy for the period up to 2035 "Security, energy efficiency, competitiveness"]: Order of the Cabinet of Ministers of Ukraine dated August 18, 2017 No. 605-p., 66 p. (in Ukrainian).
Shcheglyayev, A. V. (1993). Parovyye turbiny. Teoriya teplovogo protsessa i konstruktsii turbin [Steam turbines. Theory of the thermal process and turbine design].Moscow: Energoatomizdat, 416 p. (in Russian).
Denton, J. D. (1993). Learning flow physics from turbomachinery flow calculations by Dvorak, R. & Kvapilova, J. (Eds.). Proc. of the Int. Symp. on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows.Prague: SCMP Publication, pp. 23–51.
ANSYS Fluent for CFD simulations. ANSYS: Official site, 2018. URL: http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-Fluent.
NUMECA Tubomachinery solution for CFD simulations and optimization. NUMECA international: Official site, 2020. URL: http://www.numeca.com/en_eu/turbomachinery.
Rusanov, A., Rusanov, R., & Lampart, P. (2015). Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modeling. Open Eng. (formerly Central European J. Eng.), vol. 5, iss. 1, pp. 399–410. https://doi.org/10.1515/eng2015-0047.
Yangozov, A. & Lazarovski, N. (2009). Vliyaniye geometricheskoy formy soplovogo apparata na effektivnost preobrazovaniya energii v stupenyakh parovykh turbin [Influence of the geometric shape of the nozzle apparatus on the efficiency of energy conversion in the steps of steam turbines]. Ansys Advantage Rus, no. 11, pp. 29–34 (in Russian).
D’Ippolito, G., Dossena, V., & Mora, A. (2011). The Influence of blade lean on straight and annular turbine cascade flow field. ASME J. Turbomachinery, vol. 133 (1), no. 011013, 9 p. https://doi.org/10.1115/1.4000536.
Rusanov, A. V. & Yershov, S. V. (2008). Matematicheskoye modelirovaniye nestatsionarnykh gazodinamicheskikh protsessov v protochnykh chastyakh turbomashin [Mathematical modeling of unsteady gas-dynamic processes in flowing parts of turbomachines].Kharkov: A. Podgorny Institute of Mechanical Engineering Problems NAS ofUkraine, 275 p. (in Russian).
Rusanov, A., Shubenko, A., Senetskyi, O., Babenko, O., & Rusanov, R. (2019). Healting modes and design optimization of cogeneration steam turbines of powerful units of combined heat and power plant. Energetika, vol. 65, no. 1, pp. 39–50. https://doi.org/10.6001/energetika.v65i1.3974.
Lampart, P. & Yershov, S. (2003). 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, vol. 125, no. 1, pp. 385–390. https://doi.org/10.1115/1.1520157.
IAPWS-95. Revised Release on the IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. IAPWS-95: Official site, 2019. URL: http://www.iapws.org.
Rusanow, A. V., Lampart, P., Pashchenko, N. V., & Rusanov, R. A. (2016). Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research, vol. 23, no. 1, pp. 61–67. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0009.
Yershov, S., Rusanov, A., Gardzilewicz, A., & Lampart, P. (1999). 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, vol. 397 (2), pp. 143–154.
Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA J., vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.
Rusanov, A. V. & Pashchenko N. V. (2009). Aerodinamicheskoye sovershenstvovaniye tsilindra nizkogo davleniya parovoy turbiny moshchnostyu 200 MVt [Aerodynamic improvement of a low-pressure cylinder of a 200 MW steam turbine]. Problemy mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 12, no. 2, pp. 7–15 (in Russian).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2020 Andrii V. Rusanov, Viktor L. Shvetsov, Svitlana V. Alyokhina, Natalia V. Pashchenko, Roman A. Rusanov, Mykhailo H. Ishchenko, Liubov O. Slaston, Riza B. Sherfedinov
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NoDerivatives» («Атрибуция — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
Авторы, публикующиеся в этом журнале, соглашаются со следующими условиями:
- Авторы оставляют за собой право на авторство своей работы и передают журналу право первой публикации этой работы на условиях лицензионного договора (соглашения).
- Авторы имеют право заключать самостоятельно дополнительные договора (соглашения) о неэксклюзивном распространении работы в том виде, в котором она была опубликована этим журналом (например, размещать работу в электронном хранилище учреждения или публиковать в составе монографии), при условии сохранения ссылки на первую публикацию работы в этом журнале.
- Политика журнала позволяет размещение авторами в сети Интернет (например, в хранилищах учреждения или на персональных веб-сайтах) рукописи работы, как до подачи этой рукописи в редакцию, так и во время ее редакционной обработки, поскольку это способствует возникновению продуктивной научной дискуссии и позитивно отражается на оперативности и динамике цитирования опубликованной работы (см. The Effect of Open Access).
