Z ESZ Y T Y N AUKO W E PO LITECH N IKI ŚLĄ SK IE! 1995
S e r ia : M E C H A N I K A z. 121 N r k o l. 12 6 6
A r k a d i j E . Z A R J A N K I N
K a t e d r a T u r b i n P a r o w y c h i G a z o w y c h M o s k i e w s k i In s t y t u t E n e r g e t y c z n y , M E 1
K r z y s z t o f J . J E S I O N E K
Z a k ł a d T u r b i n C i e p l n y c h i S p r ę ż a r e k P o l it e c h n ik a W r o c ł a w s k a , 1-20
M O D E L O W A N I E P R Z E P Ł Y W U P A R Y
W Z A W O R A C H R E G U L A C Y J N Y C H T U R B I N P A R O W Y C H
S t r e s z c z e n ie . P r a c a o p is u je w a r u n k i m o d e lo w a n ia p r z e p ły w u w z a w o r a c h r e g u la c y j n y c h tu r b in p a r o w y c h . Z w r ó c o n o u w a g ę n a p o d s t a w o w e p r o b le m y z w ię z a n e z b a d a n ia m i m o d e lo w y m i t a k ic h z a w o r ó w . O m o w io n o o t r z y m a n e w w y n ik u e k s p e r y m e n t u b e z w y m ia r o w e c h a r a k t e r y s t y k i: p r z e p ły w o w e , s i ł o w e i w ib r a c y jn e . D l a w a r t o ś c i lic z b R e y n o ld s a w ię k s z y c h o d R e = 3 * 1 0 * c h a r a k t e r y s t y k i te sy a u t o m o d e lo w e . S t w ie r d z o n o , że p o d s t a w o w y m k r y t e r iu m p o d o b ie ń s tw a je s t b e z w y m ia r o w a p r ę d k o ś ć A n a w y l o c i e z a w o r u , a p o ś r e d n io sto s u n e k c i ś n ie ń e p rz e d i z a z a w o r e m .
S T E A M F L O W M O D E L L I N G I N T H E C O N T R O L V A L V E S O F T H E S T E A M T U R B I N E S
S u m m a r y . T h e p re s e n t p a p e r s h o w s th e c o n d itio n s o f a f lo w m o d e llin g in th e c o n t r o l v a l v e s o f ste am tu rb in e s . T h e a tte n tio n w a s p a y e d to p r o b le m s c o n n e c te d w i t h a m o d e l s c a le te s tin g o f th o se v a lv e s . T h e f l o w , fo r c e s a n d v ib r a t io n s n o n d im e n s io n a l c h a r a c t e r is t ic s , o b ta in e d b y m e a n s o f e x p e r im e n ta l tests, a r e d is s c u s e d . F o r t h e R e y n o l d ’ s n u m b e r s h ig h e r th e n R e - 3 * 10s the c h a r a c te r is tic s h a v e a u t o m o d e llin g p r o p e r t y . I t w a s fo u n d o u t th a t th e n o n d im e n s io n a l v e l o c i t y A a t th e c o n t r o l- v a lv e e x it cr o s s - s e c tio n is th e b a s ic s im ila r it y n u m b e r.
M O Z I E J I H P G R A H H E T E M E H H M . H A P A
B P E r y J l M P Y 1 0 L U , H X O A i T A X r i A P O B b i X T Y P E H H
Pe3iOMe.
Bpa6oTe pa:-tpa6oTano ycjioBHH MOAejinpoBaHHSi tougiihh napa b pery.nHpyDin.HX rnanax napoBux TypfiHH. OnucoHO 5e3pa3MHepHhie pacxoAHue, chjiobhg h BH6pau,MOHHhie xapaxTepKCTHKH. H3 paooThi BhiTeicae? u to ochobhhm KpHTepneM nonobHH HBJiHeTcn 0e3pa3MepHa>i
c K o p o c T B A H a B u x o A e H3 t a i a n a H a .
1. W P R O W A D Z E N I E
Z a w o r y r e g u la c y j n e tu r b in p a r o w y c h z a lic z a ją s ię d o t y c h e le m e n t ó w tu r b o z e s p o łu , o d n ie z a w o d n o ś c i k t ó r y c h z a le ż y p r a c a c a łe g o u k ła d u c ie p ln e g o . S p o t y k a n e w p r a k t y c e z a w o d o w e j k o n s t r u k c je w w ię k s z o ś c i n ie z a p e w n ia ją w y m a g a n e j n ie z a w o d n o ś c i i c h a r a k t e r y z u j? s ię d u ż y m o p o r e m a e r o d y n a m ic z n y m . S z c z e g ó ln ie ta o s ta tn ia o k o li c z n o ś ć w y j a ś n i a z w ię k s z o n e z a in t e r e s o w a n ie z a r ó w n o z a k ła d ó w p r o d u k u ją c y c h t u r b i n y , j a k i e le k t r o w n i c i e p ln y c h , n o w y m i k o n s t r u k c ja m i z a w o r ó w r e g u la c y jn y c h c h a r a k t e r y z u ją c y c h s ię p o d w y ż s z o n y n i e z a w o d n o ś c i? p r a c y i o b n iż o n y t r w a ły stra ty c iś n ie n ia .
O p r a c o w a n ie n o w y c h r o z w iy z a ń k o n s t r u k c y jn y c h , j a k n p . [1 ] i [ 2 ] , o r a z ic h w d r o ż e n ie p r z e m y s ł o w e m o ż liw e j e s t t y lk o n a p o d s t a w ie w y n ik i d o s ta te c z n ie s z c z e g ó ło w y c h m o d e lo w y c h b a d a ń e k s p e r y m e n t a ln y c h p r z e p r o w a d z a n y c h n a s p e c ja ln ie w y k o n a n y c h s t a n o w is k a c h .
N a j c z ę ś c i e j b a d a n e s y m o d e le w z m n ie js z o n e j s k a li i p r z y p a r a m e tr a c h p a r y r ó ż n iy c y c h s ię is t o t n ie o d p a n u jy c y c h w w a r u n k a c h n a t u r a ln y c h . S t y d też w y n ik a k o n ie c z n o ś ć z n a le z ie n ia t a k ic h c h a r a k t e r y s t y k b e z w y m ia r o w y c h , k tó r e m o g ły b y w p e łn i o c e n ia ć j a k o ś ć b a d a n y c h z a w o r ó w o r a z b y ć a u t o m o d e lo w y m i w sto s u n k u d o p o c z y t k o w y c h p a r a m e t r ó w p a r y i w y m i a r ó w g e o m e t r y c z n y c h .
D l a z a w o r ó w r e g u la c y j n y c h tu r b in p a r o w y c h n a jw a ż n ie js z y m i o k a z u j? s ię c h a r a k t e r y s t y k i p r z e p ły w o w e , s i ł o w e i w ib r a c y j n e . P o s i ł k u j y c s ię t e o r iy a n a liz y w y m i a r o w e j , w y j a ś n i ć m o ż n a o d p o w ie d n ie f u n k c jo n a ln e z a le ż n o ś c i b e z w y m ia r o w e p r z y d a t n e i s t o s o w a n e w t a k ic h b a d a n ia c h .
2 . C H A R A K T E R Y S T Y K I P R Z E P Ł Y W O W E
S t r u m ie ń m a s y p a r y p r z e m ie s z c z a jy c e j s ię p o p rz e z z a w ó r r e g u la c y j n y , r y s . 1, o k r e ś l a n y j e s t z a p o m o c y s t o s u n k o w o p ro s te j fu n k c jo n a ln e j z a le ż n o ś c i
« = f(p„,T0j)v p2f t v Ą A k), (1)
g d z ie : m - s t r u m ie ń m a s y p a r y ,
p 0 - c i ś n ie n ie p a r y w k o m o r z e z a w o r o w e j, T 0 - t e m p e r a tu r a p a r y ,
P2 - c i ś n ie n ie z a d y f u z o r e m w y l o t o w y m z a w o r u , p - g ę s t o ś ć p a r y z a d y f u z o r e m ,
R - s t a ła g a z o w a ,
v - k in e m a t y c z n y w s p ó łc z y n n ik l e p k o ś c i,
d, - ś r e d n ic a n a jm n ie js z e g o p r z e k r o ju n a w l o c i e d y fu z o r a , h - w z n io s z a w o r u ,
ic - w y k ł a d n i k iz e n tr o p y .
Z d z i e w i ę c i u a r g u m e n t ó w p r z y t o c z o n y c h w z a le ż n o ś c i ( 1 ) c z t e r y s y w y m i a r o w o n ie z a le ż n e , a m ia n o w ic ie :
[Po ] = [k g / s 2 m |, [T o l = [ K ] , f R J = [ m 2 / s 2 K J , [<!,] = [ m j .
Modelowanie przepływu pary .
347R y s . 1. Z a w ó r r e g u la c y jn y t u r b in y p a r o w e j K - 3 0 0 - 2 4 0 L M Z F i g . 1. A c o n t r o l v a l v e o f the ste am tu rb in e K - 3 0 0 - 2 4 0 L M Z
W y m i a r y p o z o s t a ły c h w i e l k o ś c i m o g ? b y ć w y r a ż o n e za p o m o c ? c z t e r e c h w y ż e j w y m i e n i o n y c h o p ie r a ją c s ię n a n a s tę p u ją c y c h z a le ż n o ś c ia c h :
IP 2 I = (Pol.
[ p j = [P o / R T „ |, l v ] = [ d j [ ( R T 0) 0,5|, ( h ) = ( d , l,
[m ] = { [ P o ] / [ ( R T 0) ° '5) } [ d , j 2
D l a p r z e j ś c i a o d w y m ia r o w e g o z a p is u z a le ż n o ś c i (1 ) d o j e j f o r m y b e z w y m ia r o w e j w y s t a r c z a j ą c e j e s t w p r o w a d z e n ie o c z y w is t y c h p a r a m e t r ó w
P2 = P2 Po Po’
* T 0
W d a ls z y c h r o z w a ż a n ia c h n a le ż y u w z g lę d n ić , ż e p ie r w ia s t e k <JRT0 w z a s a d z ie z
d o k ł a d n o ś c i? d o s t a łe j, z a le ż n e j o d w y k ł a d n i k a iz e n t r o p y , o k r e ś la p r ę d k o ś ć k r y t y c z n ? s t r u m ie n ia
a k o m p le k s
Modelowanie przepływu pary
349ta k ż e z d o k ła d n o ś c ią d o s ta łe g o m n o ż n ik a d a je w a r t o ś ć p r z e p ły w u k r y t y c z n e g o m lr p o p rz e z n a jw ę ż s z y p r z e k r ó j d y f u z o r a . O p r ó c z te g o c iś n ie n ie b e z w y m ia r o w e e 2 i b e z w y m ia r o w a g ę s t o ś ć p 2 n ie są a rg u m e n ta m i n ie z a le ż n y m i w y m ia r o w o , p o n ie w a ż z w ią z a n e są z e so b ą r ó w n a n ie m iz e n t r o p y
W r e z u lt a c ie p r z e d s t a w io n e g o w y ż e j n o r m o w a n ia , o p a rte g o n a w y k o r z y s t a n iu te o r e m a tu U (B u c k i n g h a m a ) , fu n k c jo n a ln a z a le ż n o ś ć w y m i a r o w a (1 ) , m o ż e b y ć p r z e d s ta w io n a w p o s ta c i n a s tę p u ją c e g o w y r a ż e n ia b e z w y m ia r o w e g o
S p e c j a ln e b a d a n ia z a w o r ó w d y f u z o r o w y c h , p r z e p r o w a d z o n e p rz e z a u t o r ó w d la w y j a ś n ie n ia w p ł y w u w y k ł a d n i k a iz e n tr o p y k na b e z w y m ia r o w y s tr u m ie ń m a s y q , w y k a z a ły p r a k t y c z n ie t a k ie s a m e r e z u lt a t y p r z y w y k o r z y s t a n iu j a k o c z y n n ik a r o b o c z e g o z a r ó w n o p o w ie t r z a , j a k i p a r y p r z e g r z a n e j. N ie is t o t n ą o k a z a ł s ię ta k ż e w p ł y w lic z b y R e y n o ld s a n a c h a r a k t e r y s t y k i p r z e p ły w o w e , je ż e li b a d a n ia z a w o r ó w p r o w a d z o n e b y ł y p r z y d u ż y c h je j w a r t o ś c ia c h lic z b o w y c h , p r z e k r a c z a ją c y c h 3 * 1 0 \ a w i ę c w o b s z a r z e a u t o m o d e lo w y m .
W te n s p o s ó b , p r z e d s t a w ia ją c d an e d o ś w ia d c z a ln e w p o s ta c i z a le ż n o ś c i b e z w y m ia r o w e g o s t r u m ie n ia m a s y q o d s p a d k u c iś n ie n ia n a z a w o r z e e 2 i je g o o tw a r c ia w z g lę d n e g o h , m o ż n a z e s to s u n k o w o w y s o k ą d o k ła d n o ś c ią o k r e ś la ć p r z e p ły w y p a r y p rz e z r z e c z y w is t e z a w o r y r e g u la c y jn e w y k o r z y s t u ją c f o r m u łę
W c e lu w y k a z a n ia u n iw e r s a ln o ś c i b e z w y m ia r o w e j z a le ż n o ś c i ( 2 ) w s to s u n k u d o p o c z ą t k o w y c h p a r a m e t r ó w p a r y i w y m i a r ó w g e o m e t r y c z n y c h n a r y s . 2 p r z e d s t a w io n o w y n i k i b a d a ń m o d e lo w y c h z e s ta w io n e z re z u lta ta m i b a d a ń r z e c z y w is t y c h z a w o r ó w t u r b in y K - 3 0 0 - 2 4 0 . P o m ija ją c f a k t, że p o c z ą t k o w e c iś n ie n ie p a r y p r z y ję t e w b a d a n ia c h m o d e lo w y c h r ó ż n iło s ię o d te g o w w a r u n k a c h n a t u r a ln y c h p r a w ie sto r a z y , a w y m i a r y b a d a n y c h m o d e li b y ł y o 1 ,8 r a z y m n ie js z e o d r z e c z y w is t y c h z a w o r ó w , z a u w a ż y ć m o ż n a p r a k t y c z n ie p e łn ą z g o d n o ś ć b e z w y m ia r o w e g o s t r u m ie n ia m a s y q , o tr z y m a n e g o d la w s p o m n ia n e j t u r b in y p r z y p e ł n y m o t w a r c iu z a w o r ó w , z c h a r a k t e r y s t y k ą p r z e p ły w o w ą o tr z y m a n ą d la m o d e lu . N i e w i e l k i e r o z b ie ż n o ś c i p o r ó w n y w a n y c h w i e l k o ś c i w y j a ś n ić m o ż n a b a rd z o d u ż y m i r ó ż n ic a m i lic z b R e y n o ld s a . J e ż e l i d la r z e c z y w is t y c h z a w o r ó w w i e l k o ś ć te g o p a r a m e t r u b y ł a rz ę d u 107, to c h a r a k t e r y s t y k a p r z e p ły w o w a , p rz e d s ta w io n a n a r y s . 2 , o tr z y m a n a z o s t a ła d la b a d a ń p r z y lic z b a c h R e le ż ą c y c h w p r z e d z ia le o d 3 * 1 0 5 d o T * ! ^ .
e2 = P2
9 = — = A ^ 2 ’ h ’ R e ’K^
m tr
( 2 )
(3)
3 . S I Ł O W E C H A R A K T E R Y S T Y K I Z A W O R Ó W R E G U L A C Y J N Y C H
S i ł y s t a t y c z n e d z ia ła j ą c e na w r z e c io n o z a w o r u o k r e ś la ją n ie t y lk o p o le j e g o p r z e k r o ju p o p r z e c z n e g o , a le i m o c s e r w o m o t o r ó w t u r b in y . W a r t o ś ć t y c h s ił z a le ż n a j e s t o d t y p u i w y m i a r ó w z a s to s o w a n e g o z a w o r u , c h a r a k t e r u o p ł y w u d o ln e j c z ę ś c i j e g o g r z y b k a t w o r z ą c e j w r a z z w l o t o w y m o d c in k ie m s io d ła k a n a ł z a w o r o w y , s to p n ie m o t w a r c ia z a w o r u i s p a d k ie m c i ś n ie n ia
A p = P 0 - P v
( r y s . 1 ), d z ia ła j ą c y m n a u k ła d z a w o r o w y . P r z y p e łn y m p o d o b ie ń s t w ie g e o m e t r y c z n y m s i ł y p o w in n y z m ie n ia ć s ię p r o p o r c jo n a ln ie d o k w a d r a t u w y m i a r ó w l in i o w y c h i c iś n ie n ia p o c z ą t k o w e g o p a r y . P o n ie w a ż w y m i a r y p r z e k r o ju p o p rz e c z n e g o w r z e c io n , ta k ż e i d la z a w o r ó w j e d n e g o t y p u , m o g ę is t o t n ie r ó ż n ić s ię m ię d z y s o b ą , w i ę c z tej p r z y c z y n y p r z y t w o r z e n iu b e z w y m i a r o w y c h k o m p le k s ó w o k r e ś la ją c y c h s i ł y s ta ty c z n e k o r z y s tn e j e s t w y k l u c z e n i e w y m i a r ó w w r z e c io n a z e z b io r u c z y n n ik ó w o k r e ś la ją c y c h w a r t o ś ć b e z w y m ia r o w e j s i ł y .
W t a k im p r z y p a d k u s i ł a F 0 , d z ia ła ją c a n a w r z e c io n o o z e r o w e j g r u b o ś c i ( ś r e d n i c y ) , b ę d z ie o k r e ś la n a p r z e z n a s tę p u ją c e w y r a ż e n ie
Ti d h F 0 = F + ( p 0- B ) - p ,
4
g d z ie : F - s i ł a z m ie r z o n a n a w r z e c io n ie z a w o r u m o d e lo w e g o , B - c i ś n ie n ie b a r o m e t r y c z n e ,
d , - ś r e d n ic a w r z e c io n a z a w o r u m o d e lo w e g o .
W c e lu p r z e d s t a w ie n ia s i ł y F 0 w p o s ta c i b e z w y m ia r o w e j w y k o r z y s t a ć m o ż n a j a k o w i e l k o ś ć o d n ie s ie n ia ( n o r m u ją c a ) w a r t o ś ć s i ł y n ie z b ę d n e j d o o d e r w a n ia g r z y b k a o d s i o d ł a p r z y z e r o w e j ś r e d n i c y w r z e c io n a
* 0 =
P o -
4 F
* P a t i
1 - *
Po) ( 4 )
g d z ie D , - ś r e d n ic a p o s a d o w ie n ia g r z y b k a z a w o r o w e g o n a s io d ło .
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351B e z w y m i a r o w a s ilą F „ o k a z a ła się n ie z a le ż n a od p o c z ą tk o w e g o c i ś n ie n ia p a r y i o d w y m i a r ó w z a w o r u . S z c z e g ó ln ie ta o k o lic z n o ś ć p o z w a la w y k o r z y s t y w a ć w y r a ż e n ie ( 4 ) d o o p r a c o w y w a n ia p r o s ty c h d a n y c h d o ś w ia d c z a ln y c h i d a ls z e g o ic h z a s to s o w a n ia p r z y o b lic z e n ia c h n a t u r a ln y c h j u ż z a w o r ó w r e g u la c y jn y c h tu rb in p a r o w y c h .
C h a r a k t e r z m ia n r o z p a t r y w a n e j s i ł y b e z w y m ia r o w e j p r z y r ó ż n y c h s p a d k a c h c i ś n ie n ia e 2 w z a w o r z e d la r ó ż n y c h s to p n i j e g o o t w a r c ia p r z e d s ta w io n o n a r y s . 3. M a k s y m a ln a w a r t o ś ć w i e l k o ś c i T 0 o s ią g a n a je s t p r z y ś r e d n im p o ło ż e n iu g r z y b k a z a w o r o w e g o (7i = 0 , 1 5 ) , k i e d y o d d z ia ły w a n a n ie g o e fe k t p r z y s y s a n ia , u w a r u n k o w a n y d y f iiz o r o w y m e f e k t e m d y f u z o r a z a w o r o w e g o .
4 . C H A R A K T E R Y S T Y K I W I B R A C Y J N E Z A W O R O W
S p o ś r ó d c z y n n ik ó w o k r e ś la ją c y c h n ie z a w o d n o ś ć z a w o r ó w re g u la c y jn y c h ich stan w ib r a c y jn y m a d e c y d u ją c e z n a c z e n ie , p o n ie w a ż s i ł y d y n a m ic z n e w w ię k s z o ś c i p r z y p a d k ó w sa p r z y c z y n a z n is z c z e n ia r ó ż n y c h e le m e n t ó w u k ła d u r o z rz ą d u tu r b in p a r o w y c h .
D l a p r z e lic z e n ia p o z io m u d y n a m ic z n y c h s ił h F ^ , o t r z y m a n y c h p o d c z a s b a d a ń
m o d e lo w y c h , n a r z e c z y w is t e p a r a m e t r y p a r y i r z e c z y w is t e w y m i a r y g e o m e tr y c z n e , k o r z y s tn e j e s t z a s to s o w a n ie n a s tę p u ją c e j z a le ż n o ś c i
F +
= C A } <5>
P o u 1
W t y m p r z y p a d k u in d e k s M o d n o s i s ię d o w i e l k o ś c i m o d e lo w y c h , a w s p ó łc z y n n ik 1 j e s t s k a la w y m i a r ó w g e o m e t r y c z n y c h .
5 . P O D S U M O W A N I E
P r z e p r o w a d z o n a a n a liz a w y k a z a ła , że p r z y b a d a n ia c h m o d e lo w y c h d y f u z o r o w y c h z a w o r ó w r e g u la c y j n y c h t u r b in p a r o w y c h p o d s t a w o w y m k r y t e r iu m p o d o b ie ń s tw a je s t b e z w y m ia r o w a p r ę d k o ś ć n a w y l o c i e A ( a b e z p o ś r e d n io sto su n e k c iś n ie ń e 2) .
P o r ó w n a n ie c h a r a k t e r y s t y k p r z e p ły w o w y c h z a w o r ó w , u z y s k a n y c h w b a d a n ia c h m o d e lo w y c h o ra z n a o b ie k c ie r z e c z y w is t y m , w y k a z a ło , ż e p r z y lic z b a c h R e > 3 * 1 0 5, c h a r a k t e r y s t y k i te s ? a u t o m o d e lo w e w o d n ie s ie n iu d o w s k a z a n e g o k r y t e r iu m p o d o b ie ń s t w a .
R y s . 2. W y n i k i b a d a ń m o d e lo w y c h o r a z n a o b ie k c ie r z e c z y w is t y m z a w o r ó w r e g u la c y jn y c h t u r b in y K - 3 0 0 - 2 4 0 L M Z
F i g . 2 . T h e r e s u lts o f b o th m o d e l an d th e r e a l o b je c t in v e s tig a tio n s o f th e K - 3 0 0 - 2 4 0 L M Z tu r b in e c o n tr o l v a lv e s
h
R y s . 3 . Z a le ż n o ś ć s i ł y n a w r z e c io n ie w f u n k c ji w z n io s u z a w o r u F i g . 3 . T h e f o r c e o n th e s p in d le th e v a l v e lift- d e p e n d e n t
Modelowanie przepływu pary
353L I T E R A T U R A
[1 ] Z a i j a n k i n A . E . , Je s io n e k K . J . : D o d a t k o w e 4 M W z tu r b in y 1 3 K 2 1 5 , [ w : ] Z e s z y t y N a u k o w e W y ż s z e j S z k o ł y In ż y n ie r s k ie j w O p o lu n r 180, S e r ia : E l e k t r y k a z. 3 4
" G o s p o d a r k a r e m o n t o w a e n e r g e t y k i" , O p o le 1 992, s. 101.
[ 2 ] Z a i j a n k i n A . E . , J e s io n e k K.. J . : Z a w ó r r e g u la c y jn y t u r b in y z o b n iż o n y s tra tę c iś n ie n ia p a r y , [ w : ] P r o b le m y b a d a w c z e e n e r g e ty k i c ie p ln e j, P o lit e c h n ik a W a r s z a w s k a , In s t y t u t T e c h n i k i C i e p l n e j , W a r s z a w a 199 3 , s. 3 0 0 -3 0 6 .
R e c e n z e n t: p r o f . d r h a b . in ż . A . T y l i k o w s k i
W p ł y n ę ł o d o R e d a k c j i w g r u d n iu 1994 r .
