Obliczenia struktury przepływu w kanałach turbin cieplnych
5.4. Analiza warunków przepływu na wlocie do części niskoprężnej turbinyniskoprężnej turbiny
W prow adzonych w k raju pracach m odernizacyjnych turbin często przeprow adza się m odernizacje części przepływ ej. Jednym z przykładów je s t konstrukcja turbiny kondensacyjnej o m ocy 120 MW. W ram ach przeprow adzanych zm ian układ przepływ ow y części niskoprężnej turbiny został zm odernizow any p oprzez w ym ianę ułopatkow ania akcyjnego na reakcyjne, przy pozostaw ieniu bez zm ian kadłuba zew nętrznego. W ym iana ułopatkow ania w iązała się rów nież z koniecznością zm iany konstrukcji w irnika. W szystkie te zm iany w płynęły na w arunki przepływ u pary do części niskoprężnej.
P ara dopływ a do części N P jed n y m rurociągiem parow ym , który um ieszczony je s t pro sto p ad le do osi w irnika i sym etrycznie w zględem płaszczyzny podziału p ionow ego części N P. P ara rozprow adzona je s t obw odow o w kanale pierścieniow ym . W kanale tym para zm ienia kierunek przepływ u i zostaje ro zd zielo n a na dw a strum ienie zasilające lew ą i praw ą część N P, ulegając ekspansji w reakcyjnym układzie przepływ owym . Po w ylocie z układu łopatkow ego części NP p ara przepływ a przez pierścieniow e dyfuzory do przestrzeni wylotowej kadłuba ze w nętrznego i następnie do skraplacza.
W istniejącym rozw iązaniu para dopływ a z rurociągu bezpośrednio na pow ierzch n ię w irnika, która stanowi część kanału pierścieniow ego. W e w spółczesnych konstrukcjach układów w lotow ych do części niskoprężnej turbin p arow ych znane s ą rozw iązania, elim inujące bezpośredni napływ pary na wał p o p rze z zam ontow anie ow iew ki (rys.5.27a) oraz konstrukcje bez owiewki (rys.5.27b). Z darza się, że w m aszynach pochodzących od jed n eg o producenta konstrukcja w lotu do części N P w jed n y ch rozw iązaniach posiada ow iew kę, a w innych nie. P oniew aż m ożliw ości techniczne i konstrukcyjne w rozpatryw anej tu rb in ie p o zw a lają na zastosow anie ow iew ki, celow e je s t spraw dzenie,jakie korzyści z p u n k tu w idzenia przepływ ow ego przyniosłoby jej zam ontow anie w układzie przepływ ow ym .
W ram ach analizow anego zagadnienia rozpatrzono dw a w arianty konstrukcyjne k an ału pierścieniow ego, który rozprow adza parę. W ariant w yjściow y, który w ystępuje w zm odernizow anej m aszynie, przedstaw iono na rys.5.28a. N a rysunku zaznaczono strzałkam i dolot pary oraz w ylot z kanału pierścieniow ego. D o porów nań przyjęto kształt kanału, w ja k im następow ałby rozpływ pary po zam ontow aniu ow iew ki (rys.5.28b). N ie uw zględniono ew entualnych szczegółów tech n iczn y ch sam ego zam ontow ania ow iew ki w kanale przepływ ow ym .
a.
b.
Rys. 5.27. Część niskoprężna turbiny parowej z owiewką (a) i bez owiewki (b) na wlocie Fig.5.27. LP part o f the steam turbine with inflow control (a) and without inflow control (b)
W ram ach przeprow adzonej analizy badano, czy po zastosow aniu owiewki otrzym am y:
• korzystniejszy rozpływ pary,
• k o rzystniejszy rozk ład param etrów na w locie do kierow nicy pierw szego stopnia N P,
• isto tn ą z p u nktu w idzenia eksploatacji osłonę w ału turbiny przed w pływ em sił w yw ieran y ch strum ieniem pary dolotowej.
a. b.
Rys.5.28. Uproszczona geometria układu wlotowego do części NP turbiny parowej TK120 (a) bez owiewki, (b) z owiewką
Fig.5.28. Simplified geometry of the inlet to the LP part o f steam turbine TK.120 (a) without inflow control, (b) with inflow control
W ro zw iązaniu przedstaw ionym na rys.5.28b górna kraw ędź ow iew ki sięga do n ajw ęższego p rzekroju kanału doprow adzającego parę. O w iew ka stanowi w tym p rzy p ad k u in teg raln ą część w ału i je s t um ieszczona na całym je g o obw odzie.
D obrano j ą w sposób zbliżony do w ystępujących rozw iązań, aby ja k najbardziej w yeksponow ać ew entualne różnice w polu przepływ u. K ształt ow iew ki stanowi część łuku koła, dobranego tak, by zapew nić łagodną zm ianę kierunku przepływ u pary.
Z e w zględu na sym etrię kanału pierścieniow ego m ożliw e je s t w yodrębnienie okresow o pow tarzalnego obszaru obliczeniow ego obejm ującego czw artą część całego kanału. P ow ierzchniam i, w ystępującym i w obliczeniach przepływ u w kanale pierścieniow ym , na których określane s ą w arunki brzegow e, są:
• w lot,
• w ylot,
156 R ozd ział 5
• p o w ierz ch n ia sym etryczna,
• p o w ierzch n ia nieprzenikalna (ścianka).
O b sza r przepływ u zdyskretyzow ano siatką num eryczną p o sia d ającą 51x41x29 w ęzłów . P ostać siatki dla połów kow ego przekroju w płaszczyźnie (x,z), gdy ro zp atru jem y geom etrię bez ow iew ki, przedstaw ia rys.5.29a. S iatkę n um eryczną w p rzy p ad k u , gdy m am y do czynienia z kanałem z ow iew ką p rzedstaw ia rys.5.29b.
Rys.5.29. Siatka numeryczna w płaszczyźnie (x,z) dla <j> = 0": (a) bez owiewki, (b) z owiewką Fig.5.29. Numeri cal grids in the (x,z) piane for$> = 0" without (a) and with (b) inflow control
O bliczenia prow adzono przy założeniu strum ienia pary dopływ ającego do części niskoprężnej w ilości m=%2[kg/s] i p aram etrów spoczynkow ych p„=Q.26[M Pa], p<j=\.01\[kg/m 3]. D o celów porów naw czych dokonano obliczeń trójw ym iarow ego p o la przepływ u dla obu geom etrii układu w lotow ego (z o w iew ką i bez) oraz przep ro w ad zo n o analizę:
• trójw ym iarow ego po la przepływ u w obszarze dolotow ym pary,
• po la p rzepływ u na napływ ie na kierow nice pierw szego stopnia częściN P ,
• rozk ład u p aram etrów n a obw odzie k anału p ierścieniow ego
Obszar dolotowy
O bliczenia przeprow adzano dla obu w ariantów rozw iązań konstrukcyjnych. Ze w zg lęd u na konstrukcję części w lotow ej pary najbardziej istotne zm iany param etrów przepływ ow ych m ogły w ystąpić w tym obszarze. N a rys.5.30a,b przedstaw iono
O b liczen ia struktury p rzepływ u w kanałach turbin ciep ln ych 157
ob raz izolinii ciśnienia statycznego w przekroju <j)=consl obszaru w lotu. W przy p ad k u geom etrii bez owiewki (rys.5.30a) m ożem y zauw ażyć spiętrzenie ciśnienia na pow ierzchni wału. W środkow ej strefie w ału w ytw arza się obszar, g dzie ciśnienie zbliżone je s t do ciśnienia stagnacji. N atom iast na brzegu tw orzącym g ó rn ą ściankę kanału w idoczny je s t obszar o znacznym spadku ciśnienia, a co za tym idzie - o znacznych prędkościach (naddźwiękow ych).
Rys.5.30. Rozkład ciśnienia statycznego: (a) bez owiewki, (b) z owiewką
Fig. 5 30. Static pressure distribution: (a) without inflow control, (b) with inflow control
N a rys. 5.30b przedstaw iono rozkład ciśnienia statycznego dla przypadku geom etrii z owiewką. N ależy zw rócić uw agę na fakt, że przebieg zm ian ciśnienia statycznego w obszarze kanału przepływ ow ego je s t bardzo zbliżony do rozkładu otrzym anego w przypadku poprzednim . M ożna to tłum aczyć tym, że prostopadły
n ap ły w p ary na w ał pow oduje pow stanie obszaru stagnacji na je g o pow ierzchni.
R o z k ła d ciśnienia, ja k i p ow staje w w yniku tego napływ u, pow oduje ukształtow anie się ro zp ły w u p ary w sposób zbliżony do tego, ja k i zapew nia ow iew ka.
Pole przepływu na w locie do kierownicy pierwszego stopnia części NP
P ow ierzch n ię w lotu na kierow nicę pierw szego stopnia przedstaw iono na rys.5.31.
Z e w zględu n a istotne znaczenie param etrów n a w locie do kierow nicy z punktu w id zen ia p racy układ u łopatkow ego przedstaw iono ich rozkład w funkcji kąta <|>, przyjm ując, że <J>=0° w górnej części pierścienia, a (|>=180° w dolnej części. N a rys.5 .3 2 przedstaw iono uśredniony rozkład strum ienia m asy oraz rozkład ciśnienia statycznego p o obw odzie p ierścienia na różnych prom ieniach kanału w lotow ego do kierow nicy. L in ią cią g łą zaznaczono rozkłady otrzym ane dla geom etrii z o w ie w k ą a p rze ry w an ą dla geom etrii bez ow iew ki. N ależy zauw ażyć, że w artości strum ienia m asy d la ob u przypadków praw ie nie uległy zm ianie. M inim alną różnicę daje się zao b serw o w ać w rozk ład zie ciśnienia statycznego. D otyczy to szczególnie obszaru d la <j)>90°. Jest to spow odow ane zm niejszeniem p rzekroju kanału, spow odow anym o b e c n o śc ią ow iew ki. P ow oduje to w zrost składow ej obw odow ej prędkości pary. Z e w zg lęd u na sym etrię kanału strum ień rozpływ a się rów nom iernie w obu gałęziach pierścienia. Z w iększona prędkość, z ja k ą sp otykają się strum ienie, pow oduje w iększy w zrost ciśnienia statycznego. N ależy je d n a k zaznaczyć, że różnica w ciśn ien iu stanow i zaledw ie ok. 2% w artości ciśnienia statycznego i nie m a istotnego zn a cz en ia dla w aru n k ó w przepływ ow ych.
N a rys.5.33 przedstaw iono ro zk ład prędkości osiow ej oraz ciśnienia statycznego na w locie do kierow nicy pierw szego stopnia części N P w zdłuż prom ienia kanału przepływ ow ego dla czterech w ybranych p ołożeń określonych kątem <j)=2°, 60°, 120°, 180°. R ozkłady zarów no osiowej składow ej prędkości, ja k i ciśnienia statycznego n ie w y kazują istotnych różnic. N a rys.5.34 pokazano zm iany składow ej obw odow ej prędkości pary w zdłuż prom ienia dla różnych kątów <|>. C harakter tych zm ian w o b u rozw ażanych przypadkach je s t podobny. M ożna je d y n ie zw rócić uw agę n a fakt, że w p rzekroju <j>=120o obserw ujem y pojaw ienie się ujem nej w artości składow ej obw odow ej prędkości, co św iadczy o pow staniu w pew nym obszarze przep ły w u zw rotnego.
Rys.5.31. Kanał pierścieniowy - zaznaczony przekrój napływu na kierownicę pierwszego stopnia Fig.5.31. Ring channel - inflow part to the stator of the first stage is marked
N ależy sądzić, że je s t to skutek zastosow ania na całym obw odzie kanału o jed n ak o w y m p rzekroju poprzecznym , przy zm niejszającym się obw odow o strum ieniu pary. K orzystniejszy w tym przypadku z punktu w idzenia je dnorodności w arunków napływ u n a kierow nicę byłby kanał spiralny. P rzeprow adzone obliczenia pozw oliły na uzyskanie rozkładów ciśnienia statycznego w rozpatryw anym kanale pierścieniow ym . R ozkłady ciśnienia statycznego na pow ierzchni w ału pozw oliły na w yznaczenie w ypadkow ej siły, z ja k ą oddziałuje strum ień pary na wał. Jej w artość w yniosła 8 kN. P oniew aż ow iew ka konstrukcyjnie zw iązana je s t z korpusem części N P , je j konstrukcja będzie w znacznej części odciążała wał w zakresie podanego w yżej obciążenia.
160 R ozd ział 5
Rys.5.32. Rozkład strumienia masy i ciśnienia po obwodzie dla różnych promieni (wylot)
Fig.5.32. Mass rate and pressure distribution in the circumferential direction for different radii (outlet)
O b liczen ia struktury p rzepływ u w kanałach turbin ciep ln ych_______ 161
$=180
Rys.5.33. Rozkład prędkości osiowej i ciśnienia statycznego wzdłuż promienia w funkcji kąta <|> (wylot)
Fig.5.33. Axial velocity and static pressure distribution in radial direction for different angels <j> (outlet)
prędkość obwodowa fm/sl
Rys.5.34 Rozkład prędkości obwodowej wzdłuż promienia w funkcji kąta<t> (Wylot) Fig.5.34 Circumferential velocity distribution in radial direction for different angels $
(outlet)
P rzep ro w ad zo n e o b liczenia nie w ykazały przew agi jed n eg o rozw iązania k o nstrukcyjnego n ad drugim , g d y ż rozkłady p aram etrów p rzepływ u (prędkości, ciśnienia) n iew iele się od siebie różnią. W zw iązku z tym ew entualne prace m o d ern izacy jn e poleg ające na zainstalow aniu owiew ki n ie w p ro w ad zą istotnych zm ian w ch arak terze napływ u n a pierw szy w ieniec łopatkow y, w pływ ających na p o p raw ę je g o pracy.