Сборник 70 студ конференции БГТУ

661

Преимущества силовых агрегатов на базе МОД. Высокая надежность МОД (более 40лет эксплуатации), высокий уровень автоматизации, наивысшая экономичность, возможность работы на любых сортах топлив (нефтяных вязкостью до 700 сСт при 50°С и газообразных), возможность использования тепла выхлопных газов и системы охлаждения для теплофикации делают такие двигатели перспективными силовыми агрегатами для ДЭС.

По эффективности, как основной двигатель, он превышает среднеоборотные двигатели, паровые турбины и одноцикловые или комбинированного типа газовые турбины. Эффективный КПД двухтактного малооборотного двигателя в диапазоне 1,5...50,0 МВт является не только самым высоким из имеющихся тепловых машин, но и остается на уровне 47...52%) во всем этом диапазоне мощности, кроме того, он остается неизменным и при работе дизеля на частичных нагрузках.

Средние затраты на топливо отражают тот факт, что большинство турбинных установок и некоторые из более ранних четырехтактных установок работают на легком топливе, в то время как двухтактные и современные четырехтактные двигатели работают исключительно на тяжелом или газообразном топливе.

Важным компонентом в цене дизель-генераторного агрегата является электрический генератор. Известно, что чем выше частота вращения его ротора, тем меньше массогабаритные характеристики в одинаковом диапазоне мощности. Для среднеоборотных четырехтактных двигателей с частотой вращения около 750 мин"1 стоимость генератора не превышает 20% стоимости дизеля.

Для стационарного применения низкая скорость таких двигателей также очень ценное качество, так как это гарантирует высокую эффективность в широком диапазоне мощности, однако генератор по стоимости составляет 30...35% стоимости дизеля.

Что же касается загрязнения вредными выбросами воздушного бассейна, то необходимо отметить, что в отличие от судовых, стационарные двигатели работают, как правило, вблизи населенных пунктов, и эта проблема стоит для них наиболее остро.

Экологическая чистота дизельных электростанций превышает все существующие. Для них не требуется устройство специальных водоемов, емкостей или контейнеров для хранения отработанных материалов. Нейтрализация вредных компонентов выпускных газов достаточно эффективна. В связи с невысокой частотой вращения коленчатого вала двигателя электростанции имеют низкий уровень шума и вибрации.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Дмитриевского Е.В.

662

Ю.В. Алексеева, Д.Е. Кривошеев ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА РАБОТУ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

Объект исследования: влажность в турбинной ступени. Проанализированы последствия влияния влажного пара для турбинной ступени.

Результаты, полученные лично авторами: вычислены потери КПД под влиянием влажности в турбине. Выработаны специальные меры, для борьбы с влажностью в турбинной ступени.

Для уменьшения потерь от влажности, существенно снижающих экономичность ступени и турбины в целом, принимаются специальные меры:

1)уменьшение видимой, так называемой диаграммной влажности. Для того в турбинах электростанций, работающих на органическом топливе, наиболее эффективно повышение начальной температуры и применение промежуточного перегрева пара, одновременно повышается КПД цикла. Ограничение в повышении начальной температуры пара и температуры промежуточного перегрева связано с необходимостью применять для котельной установки, трубопроводов к турбине и для турбины дорогие материалы, часто пониженной надежности, с усложнением установки, с некоторым снижением ее маневренности из-за большего времени, требуемого для пуска энергоблока, и т. п.

В турбинах, рассчитанных для работы с водоохлаждаемыми реакторами АЭС и с нового типа реакторами на быстрых нейтронах, применяется внешняя сепарация влаги, промежуточный перегрев пара, а также изредка переход от насыщенного к слабоперегретому пару на входе в турбину. Последнее зависит от конструкции реактора и парогенераторной установки. Применение сепаратора и непосредственно за ним промпароперегревагеля усложняет и удорожает турбинную установку из-за больших размеров этих аппаратов и выполнения их из качественной стали.

Несмотря на все эти трудности современные паровые турбины большой мощности, работающие на электростанциях с органическим топливом, а также турбины, устанавливаемые на АЭС с высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами и реакторами на быстрых нейтронах, всегда выполняются с промежуточным перегревом пара. Турбины АЭС с водоохлаждаемыми реакторами имеют внешнюю сепарацию; как правило, предусматривается также промежуточный перегрев пара;

2)уменьшение фактической влажности, в первую очередь круииодисперсной, за счет влагоудаления из проточной части турбины, в том числе из турбинных решеток. При этом надо учитывать, что удаление влаги практически неизбежно сопровождается отсосом какой-то части пара, которая тем самым не совершает полезной работы в следующей решетке или

впоследующих ступенях. В связи с этим желательно удаляемую влагу направлять в систему регенеративного подогрева питательной воды, сочетая влагоудаление с отборами пара. В этом случае энергия удаляемого с влагой пара полезно используется. В отдельных случаях применяется нагрев

663

сопловых лопаток и тем самым испарение влаги, образовавшейся на их поверхности;

3) уменьшение вредного влияния влаги, которого можно добиться правильным проектированием ступени и выбором оптимального отношения скоростей, рациональным выбором решеток, учетом особенностей течения влажного пара при расчете ступени.

Всевозможные срывные и вихревые потоки в решетках и в ступени в целом, ведущие к снижению КПД ступени, работающей перегретым паром, стимулируют увеличение потерь от влажности. Поэтому для уменьшения этих дополнительных потерь необходимо, или по крайней мере желательно: оптимизировать решетки применительно к заданным условиям обтекания; при транс- и сверхзвуковых скоростях, как правило, сопровождающихся отрывом пограничного слоя, повышенной пульсацией потока, применять специального типа решетки; сокращать концевые потери в решетках; стремиться к плавному очертанию меридиональных обводов; избегать проволочных связей и т. п.

Одним из методов снижения потерь от влажности является увеличение осевого зазора между сопловыми и рабочими лопатками, что ведет к выравниванию потока при входе на рабочее колесо и тем самым уменьшению потерь в нем, включая потери на торможение. Правда, за счет выравнивания потока и дополнительного разгона, проходящего на большом расстоянии, уменьшается кинетическая энергия потока на входе в рабочую решетку. Поэтому как для однофазного потока.так и для влажного пара с каждой ступени существуют оптимальное соотношение размеров и оптимальный осевой зазор. Опыты показали, что зависимость КПД ступени от осевого зазора во многих случаях очень полога.

К сожалению, пока еще не накоплен достаточный экспериментальный материал и не решен ряд теоретических задач движения влажного пара в турбинной ступени, чтобы количественно оптимизировать турбинную ступень, работающую влажным паром. Пока приходится обходиться учетом качественного влияния ряда режимных и геометрических факторов на экономичность ступени.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» А.В. Осипова

Андрейкин А.И.

НОВОЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ МГНОВЕННЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ

Объект исследования: способы определения тепловых потоков как предпочтительных граничных условий для расчета теплового состояния теплонагруженных деталей.

Результаты, полученные лично автором: выполнен расчет припуска для изготовления датчика теплового потока.

664

Для оценки ресурса головки цилиндра с помощью комплексной дискретной математической модели необходимо вначале решить задачу теплопроводности, определив ее тепловое состояние, а затем вычислить деформацию головки и термические напряжения, возникающие при этом.

Для реализации вышеуказанного алгоритма с помощью МКЭ или МГЭ необходимо адекватное задание граничных условий по тепловому нагружению головки цилиндра 1 – 3 рода по огневой поверхности детали для решения прямой задачи теплопроводности.

Граничные условия 1-го рода – это распределение температуры на границе (поверхности) тела в общем случае как функции от координат и времени:

Граничные условия 2-го рода – задаются плотности тепловых потоков на поверхности тела.

Граничные условия 3-го рода представляют собой закон теплоотдачи Ньютона, согласно которому плотность теплового потока, переданного поверхности твердого тела с температурой от газа с температурой, прямо пропорциональна разности температур тела и газа.

При определении граничных условий 1 и 3 рода возникают погрешности не только от установки датчика и при измерении температуры, но и вследствие невозможности точно определить координаты самого датчика, а именно точки измерения температуры. По этой причине граничные условия 2 рода – тепловые потоки – являются предпочтительными при оценке теплового состояния деталей машин.

В двигателестроении наиболее широкое применение получили следующие методы определения тепловых потоков: с помощью установленных в детали эшелонированных термопар и датчиков, при измерении которыми используется принцип “дополнительной стенки”.

К недостаткам измерения локальных тепловых потоков с помощью эшелонированных термопар следует отнести:

-невозможность определения расположения их “активных” (горячих) спаев, а следовательно, и расстояния между ними;

-невозможность точного определения теплопроводности материала детали между горячими спаями термопар на различных режимах работы детали.

Вышеуказанное может привести к большим погрешностям.

Эти недостатки возможно устранить, использовав для определения локальных тепловых потоков одиночные датчики, при измерении которыми используется принцип “дополнительной стенки” Схема одного из таких датчиков показана на рис. 1. С помощью этого датчика возможно измерение как стационарных, так и нестационарных локальных тепловых потоков (НЛТП).

665

Рис. 1. Схема датчика теплового потока 1 – корпус датчика; 2,4,5,6 – электроды;

3,7,8 – термопарные спаи

Для измерения НТП необходимо уменьшить толщину спая 8 до 0.1 мм, который приваривается точечной сваркой в лунке, выполняемой сверлением

(рис.2)..

Рис. 2. Расчетная схема определения припуска для получения спая 8 толщиной 0,1 мм.

Предполагаем, что объем шарика Vш спая 8 должен быть равен объему лунки Vл. Тогда Vш=2/3•p•(Rш)3, а Vл=1/6•Sл•hл , где Rш – радиус шарика спая (легко замеряется), Sл – площадь основания конуса лунки, hл – высота

конуса лунки. При этом ,исходя из геометрических соотношений по рис.2

Sл=3•(hл)2•p.

Таким образом, замерив диаметр, а следовательно, радиус шарика спая 8. вычисляем hл. Отнимая от hл необходимую толщину спая 8, находим величину припуска для шлифовки при изготовлении датчиков для измерения НЛТП.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Новикова В.Г.

666

Андрейкин А.И.

КОМБИНИРОВАННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ПАРОСИЛОВЫМ АГРЕГАТОМ.

Объект исследования: комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом.

Результаты, полученные лично автором: подана заявка на полезную модель.

В настоящее время производители автомобилей во все мире стремятся повысить мощность и к.п.д двигателя с сохранением высокой экологичности и низким расходом топлива установки. Именно поэтому большое внимание стали уделять комбинированным установкам.

Проведя детальный анализ существующих технических решений представленных в машиностроении, выяснилось, что они являются сложными и энерго- и ресурсоемкими в исполнении. Поэтому была представлена следующая полезная модель.

Комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом, содержащая поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединенные последовательно утилизационный котел, паровой двигатель, радиатор, накопительный бак и жидкостный насос высокого давления, отличающийся тем, что утилизационный котел выполнен цилиндрическим с двумя концентрически расположенными каналами, причем центральный канал предназначен для перемещения отработавших газов от поршневого двигателя внутреннего сгорания, а по периферийному подводится рабочая жидкость от жидкостного насоса высокого давления. При этом паровой двигатель кинематически связан с коленчатым валом поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Работа выполнена под руководством проф. каф. «Тепловые двигатели» Фокина Ю.И., Обозова А.А

Белов А.И.

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ГТУ

Объект исследования: основные источники шума ГТУ и способы их гашения.

Результаты, полученные лично автором: конструктивные решения систем шумоглушения ГТУ.

Шум, излучаемый каналами всасывания и выхлопа турбоустановок, является главным источником акустического воздействия на прилегающие селитебные зоны. Целесообразно обеспечивать гашение как высокочастотной, так и средне- и низкочастотной составляющих акустической мощности, излучаемой компрессором. Это возможно посредством создания пластинчатого глушителя двухступенчатого типа, первая секция которого будет способствовать снижению высокочастотного, а

667

вторая – средне- и низкочастотного шума. Стенки корпуса такого глушителя со стороны потока и поверхность звукопоглощающих панелей выполнены перфорированными из коррозионно-стойкого материала. Их внутренняя полость заполнена высокоэффективным звукопоглощающим материалом (ЗПМ) типа Лайт-Баттс или БВТМ-ТМ, обернутым стеклотканью.

Другим способом снижения шума воздухозаборных устройств (ВЗУ) осевых компрессоров является создание глушителей сотового типа. Конструкция такого глушителя образована корпусом с перегородками, облицованных со стороны потока перфорированными листами из нержавеющей стали, внутренняя полость которых заполнена высокоэффективным ЗПМ. Внутри корпуса размещены звукопоглощающие секции со сферической формой каналов и перфорированными стенками. Эти секции в шахматном порядке также заполнены ЗПМ, обернутым в стеклоткань.

Высокий акустический эффект можно получить используя панели с заполнителем гофрированного типа, образующего рельефные камеры, стенки которых расположены под различными углами наклона к фронту звуковых волн, что препятствует их распространению. Отдельная секция такой звукопоглощающей конструкции включает гофрированную структуру с размещенным между ней и внешним тонкостенным металлическим перфорированным коробом прокладочным материалом с резко отличающимся импедансом (изолон). Излучаемое ВЗУ звуковое давление генерируется внутри такого контейнера.

Анализ спектров излучаемой компрессором акустической мощности свидетельствует, что 90 % звуковой энергии генерируют его первые три ступени. С целью гашения уровня шума этого отсека следует входной направляющий аппарат компрессора оснастить специальными акустическими резонаторами (демпферными камерами), отделенными от газового потока перфорированной стенкой. Внутренние полости таких резонаторов, размещенных на обводах направляющего аппарата и поверхности сопловых лопаток, следует оснастить мелкоячеистой проволокой различных форм плетения или сотовой структурой, настроенной на определенный частотный диапазон.

Высокая эффективность системы шумоглушения ГТУ может быть также получена при выполнении ее по схеме, где звуковые модули каналов воздухозаборного устройства и отсека выхлопа газа включают две секции шумоглушения, обеспечивающие гашение высоко- и низкочастотных акустических волн. Внутренняя поверхность боковых стен трактов и панелей выполнена из перфорированного коррозионно-стойкого материала и заполнена ЗПМ, способным противостоять температурам рабочего агента. На выходе выхлопной трубы ГТУ установлен эжектор, подсасывающий атмосферный воздух для снижения излучаемого трубой звукового давления.

Методы акустического совершенствования турбоустановок рассмотрим и на примерах конструктивной модернизации систем турбонаддува дизелей. Выхлопные газы ДВС поступают через входной патрубок корпуса к

668

рабочему колесу турбокомпрессора и, совершив работу, направляются в выхлопной канал, оснащенный устройством подавления шума. Глушитель размещается под внешним корпусом выхлопного канала и включает внутреннюю перфорированную оболочку и одноили многослойный звукопоглощающий материал.

Еще одно техническое решение по конструктивной модернизации компрессора турбонаддува заключается в следующем. Компрессорное колесо располагается в корпусе, который конструктивно образует входной канал. В корпусе компрессора выполнены: кольцевая проточка, расположенная на внешней поверхности корпуса вблизи РК и с камерами сферической формы, сообщающимися между собой кольцевым каналом, снабженным продольными ребрами. Камеры в обводном канале позволяют снизить уровень генерируемого корпусом звукового давления посредством разнонаправленного отражения от сферических поверхностей звуковых волн. Дополнительное шумоглушение агрегата турбонаддува может быть обеспечено использованием внутри кольцевых камер специальных звукопоглощающих сфер, включающих перфорированный слой и звукопоглощающий наполнитель. С целью гашения шума этого агрегата следует установить вдоль поверхности выходного диффузора матрицу акустического резонатора – звуковой демпфер, состоящий из ряда кольцевых секций с размещенными в них камерами, отделенными от газового потока перфорированной стенкой пористостью 0,05...0,1. При оборудовании центробежного компрессора такими глушителями можно ожидать снижение излучаемой ими звуковой мощности на 10…12 дБ.

Работа выполнена под руководством проф. каф. "Тепловые двигатели" Дроконова А.М.

А.А. Горбачев ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОТОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ В

ПАРОВЫХ ТУРБИНАХ

Объект исследования: сотовые уплотнения паровых турбин. Результаты, полученные лично автором: рассчитана оптимальная

конструкция, эффективная геометрия ячеек сотовых уплотнений с выделением оптимальных соотношений диаметра ячеек, их глубины и количества для различных величин зазоров для паровой турбины АЭС. Проведена оценка влияния влажного пара на износ и прочность структуры уплотнения, а также возможность влагоудаления.

Техническое совершенствование генерирующих мощностей является перманентной задачей в области энергомашиностроения, так как электроэнергетика является ключевой отраслью, формирующей уровень развития отечественной промышленности и экономики в целом.

669

Большая доля выработки электроэнергии в нашей стране приходится на паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций, где сосредоточен значительный потенциал энергосбережения.

При модернизации паротурбинных установок и создании новых конструкций следует рассмотреть целый комплекс специфических задач и проблем.

Объективная необходимость наличия технологических зазоров в проточной части турбины при недопустимости задеваний ротора о статор сопровождается проявлением проблем экономичности, так как среди всех учитываемых потерь энергии - утечки пара через зазоры приобретают значительную величину.

В проточной части паровой турбины устанавливаются следующие основные радиальные уплотнения, снижающие вышеописанные утечки рабочего тела: надбандажные, диафрагменные и концевые.

Наиболее распространенными конструктивно исполненными надбандажными уплотнениями являются следующие:

уплотняющие гребни располагаются на бандаже ротора, со стороны статора установлены металлокерамические вставки;

уплотняющие гребни устанавливаются в статорных элементах. Экспериментальные исследования 80-90-х годов позволили внедрить

осерадиальные уплотнения, которые незначительно изнашиваются в межремонтный период. Соответствующее повышение экономичности турбоустановок составляет 2-3% по величине внутреннего относительного КПД.

Во влажнопаровых турбинах АЭС в процессе эксплуатации возможно значительное изменение радиальных зазоров в проточной части: по торцам рабочих лопаток, в надбандажных уплотнениях, а также в диафрагменных уплотнениях. Указанные изменения сопровождаются эрозионнокоррозионным износом поверхностей в области уплотнений.

Установка сотовых уплотнений снижает опасность задевания, протечки рабочего тела, а также вероятность возникновения дестабилизирующих аэродинамических сил.

При этом сотовые уплотнения допускают касание неподвижных и вращающихся частей турбины без элементов уплотнения.

Для более глубокого применения сотовых уплотнений целесообразно решить ряд исследовательских задач:

выбрать оптимальную конструкция уплотнения;

рассчитать эффективную геометрию сотовых ячеек с выявлением оптимальных соотношений диаметра ячеек, их глубины и количества для различных величин зазоров;

оценить влияние влажного пара на износ и прочность структуры;

оценить возможности эффективного влагоудаления.

670

Обсуждаемые материалы не могут охватить весь диапазон необходимых исследований по внедрению сотовых уплотнений в проточную часть паровых турбин.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» В.Т. Перевезенцева

Д.В. Грибанов НЕРА – ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА

ДЛЯ ГТУ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ И ВЛИЯНИЕ КВОУ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГТУ

Объект исследования: комплексно-воздухоочистительные устройства, фильтры сверхтонкой очистки.

Результат, полученный лично автором :система фильтрации КВОУ ГТУ значительно влияет на изменение технических характеристик в процессе эксплуатации газотурбинного двигателя. Современные тенденции в применении технологии высокоэффективных систем фильтрации КВОУ ГТУ получают все большее распространение.Внедрение комплексного подхода при эксплуатации КВОУ ГТУ позволяет минимизировать эффект «упущенной выгоды» и снизить эксплуатационные и ремонтные затраты.

Сегодня для генерирующих компаний, эксплуатирующих ГТУ, остро стоит вопрос о снижении эксплуатационных и ремонтных затрат. Одним из возможных способов его решения является внедрение энергоэффективных технологий, направленных на сохранение элементов проточной части, сокращение времени простоя ГТУ для выполнения плановых работ, а также снижение количества аварийных остановов. К техническим решениям, способствующим сохранению эксплуатационных характеристик ГТУ, можно отнести систему фильтрации, установленную в комплексновоздухоочистительном устройстве (КВОУ). Фильтр изготовлен из длинного листа волокнистого материала (диаметр волокон 0,65-6,5 микрон, расстояние между ними 10-40 микрон), сложенного гармошкой, а также корпуса с элементами, удерживающими лист в сложенном состоянии.

Мировой опыт, а также решения, внедренные на пилотных объектах в РФ, показали, что инвестиции в такие технологии возвращаются уже в первый год их применения и впоследствии приводят к заметному сокращению эксплуатационных и ремонтных затрат. Этот эффект хорошо заметен на ГТУ средней и большой мощности, снижение техникоэкономических показателей которых особенно ощутимы.

Анализ состояния газовых турбин показал что наибольшую опасность для лопаток компрессора представляет мелкодисперсная пыль (0,3…0,5 мкм), оседающая на лопатках, забивая каналы охлаждения лопаток и нарушая аэродинамику воздушного потока на поверхности лопаток. Согласно исследованиям, данная взвесь составляет почти 95 % от всего содержания пыли на высоте расположения КВОУ (более 10 м от уровня