Метод определения осевого усилия на ротор турбомашины с использованием экспериментальных данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.165+621. 438

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ НА РОТОР ТУРБОМАШИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

И.Г. Гоголев

А.М. Дроконов

А.Н. Голушко

А.Д. Николаев

Одним из важнейших факторов, определяющих надежность турбоблоков, является достоверная оценка воздействующего на ротор аэродинамического осевого усилия.

При отсутствии в турбомашине думмисных устройств осевая нагрузка в турбинной ступени создается посредством:

- разности статических давлений по обе стороны венца рабочих лопаток ;

- динамического воздействия потока на рабочие лопатки ;

- статических давлений, действующих на полотно диска, ;

- давления на уступы диска () и ротора в области диафрагменных уплотнений ():

.

Осевое усилие на ротор является функцией многих конструктивных и режимных параметров, численные значения которых могут существенно изменяться в процессе эксплуатации установки. К ним относятся: величина осевых и радиальных зазоров в проточной части; степень засоления лопаточных каналов и их температурная деформация; износ гребней диафрагменных и концевых лабиринтовых уплотнений; вырабатываемая турбоагрегатом мощность; характеристики теплоносителей и др. [1].

По этой причине возможно резкое возрастание нагрузки на сегментные колодки упорного подшипника турбомашины, что вызывает серьёзные аварии, ликвидация которых требует больших временных и материальных затрат.

Достоверная оценка влияния различных факторов на уровень воспринимаемого ротором осевого усилия представляет собой сложную теоретическую задачу, которая требует разрешения с целью увеличения долговечности и надёжности энергетических машин.

Существующие расчётные методы определения аксиального усилия на ротор позволяют оценить его лишь приближённо, так как в них вносятся определённые ограничения, например:

- принимаются ориентировочные значения коэффициентов расхода рабочего тела через корневой зазор и разгрузочные отверстия в дисках;

- не всегда учитываются площади: сквозного раскрытия каналов в ступенях с длинными лопатками, бандажа, гребней уплотнений и разгрузочных отверстий;

- принимается постоянным вдоль радиуса ступени осреднённое давление теплоносителя в передней камере диска, а в задней - равным давлению за рабочими лопатками (РЛ) на среднем диаметре;

- используются опытные характеристики, полученные преимущественно для одновенечных активных колёс с небольшими перепадами тепла и малой реактивностью;

- используются результаты испытаний турбинных решёток на статических стендах;

- принимается степень реакции ступени без учёта утечек теплоносителя через корневые и периферийные зазоры, величин перекрыш в проточной части и угла раскрытия её корневого и периферийного обводов, режима работы турбомашины и других факторов, которые могут быть достоверно определены только экспериментальным путём на вращающихся моделях ступеней.

Аналитически наиболее близкие к реальным значения осевого усилия могут быть получены с использованием методики НПО ЦКТИ [2], так как в ней учитывается степень реактивности, определяемая по разности давлений на среднем диаметре ступени, отличающаяся от вычисленной по перепадам тепла при её тепловом расчёте; вводится поправка на влияние разницы в степени реактивности на среднем диаметре и осреднённой по высоте канала и др.

Очевидно, что существует острая необходимость разработки метода достоверной оценки уровня осевого усилия на ротор турбомашины.

Такая задача решалась авторами на основе анализа результатов комплексных аэродинамических исследований, выполненных в БГТУ. Объектом изучения служили модели 26 типоразмеров турбинных ступеней (рис. 1), основные параметры которых приведены в табл. 1.

Рис. 1. Схема проточной части осевой турбинной ступени

Таблица 1 Основные параметры испытанных турбинных ступеней

1. Расчёт осевого усилия на рабочие лопатки ступени .

Осевое давление на венец РЛ определяется в два этапа.

Этап 1. Рассчитывается аксиальное усилие по формуле[2]:

,

где - результат действия разности статических давлений по обе стороны венца РЛ;

- динамическое воздействие потока на РЛ в осевом направлении.

Этап 2. Действительное значение осевого усилия на лопаточный венец определяется с использованием экспериментальных данных посредством введения комплекса корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние на уровень аксиального давления конкретного конструктивного или режимного параметра турбинной ступени:

,

где - значение i-го корректирующего коэффициента по соответствующему параметру ступени; n - число учитываемых параметров.

Значения коэффициентов определены на основе широкомасштабных экспериментальных исследований моделей турбинных отсеков на динамических воздушных стендах.

Испытания проводились в области автомодельности на режимах, близких к оптимальным (исключение составляли эксперименты, в которых изучалось влияние режима работы ступени на уровень развиваемой аксиальной нагрузки).

При вычислении величины действующего на венец РЛ ступени осевого усилия значения корректирующих коэффициентов могут быть определены с использованием экспериментальных графических или аппроксимированных зависимостей (табл. 2).

2. Расчёт осевого усилия на полотно диска рабочего колеса .

Аксиальное давление на полотно диска определяется в два этапа.

Этап 1. Вычисляется расчетное значение осевого усилия на оптимальном режиме работы ступени [2]:

,

где - площадь полотна диска; - разность давлений по обе стороны полотна диска, , - статическое давление соответственно в передней и задней камерах диска.

Таблица 2 Опытные корректирующие коэффициенты для определения осевого усилия на венец РЛ турбинной ступени

Этап 2. Действительное осевое усилие на полотно диска определяется с использованием экспериментальных данных посредством введения поправочных коэффициентов:

где - значение i-го корректирующего коэффициента; n - число учитываемых параметров.

Значения коэффициентов , как и коэффициентов для венца РЛ, определены на основе комплексных экспериментальных исследований моделей турбинных отсеков на динамических воздушных стендах, выполненных в области автомодельности на режимах работы, близких к оптимальным. аксиальный давление ротор турбоагрегат

Действительный уровень аксиальной нагрузки на полотно диска рассчитывается с использованием экспериментальных графических или аппроксимированных зависимостей (табл. 3).

Таблица 3 Опытные корректирующие коэффициенты для определения осевого усилия на полотно диска рабочего колеса турбинной ступени

С целью реальной оценки результатов исследований авторами были получены применительно к турбине К-11-10П КТЗ, служащей для привода питательных насосов типа ПН-950-350 в турбоблоках мощностью 500 МВт, расчетные и экспериментальные значения величин осевого усилия при различных режимах ее эксплуатации. В расчетах использовались: метод, разработанный Харьковским турбогенераторным заводом (ХТГЗ), и РТМ НПО ЦКТИ [2], дополненный и уточненный представленными в настоящей публикации материалами, содержащими оценку влияния ряда основных конструктивных и режимных факторов на уровень развиваемой ротором осевой нагрузки.

Результаты расчетов и натурных испытаний турбопривода свидетельствуют об адекватности полученных зависимостей осевого усилия ротора от развиваемой установкой мощности - подачи питательного насоса (Q).

Очевидно, что действительные значения в наибольшей степени согласуются с расчетными при использовании предлагаемого авторами метода их определения. В этом случае значения аксиального усилия превышают его действительный уровень в среднем на 15%, в то время как при использовании методов НПО ЦКТИ и ХТГЗ - соответственно на 34,2 и 101%, что свидетельствует о достаточно высокой достоверности такого варианта определения , разработанного на основе широкомасштабных экспериментальных исследований опытных отсеков паровых и газовых турбин.

Авторы настоящих исследований не претендуют на полноту учета факторов, оказывающих влияние на величину осевого усилия в проточной части турбомашин. Вместе с тем представленный метод расчета позволяет значительно расширить анализируемый диапазон конструктивных и режимных параметров, определяющих уровень аксиального давления, особенно при переходных и нестационарных режимах эксплуатации энергоблоков. Это даст возможность оптимизировать конструкцию упорных подшипников, снизить их металлоемкость и уровень энергетических потерь, повысить надежность и долговечность.

Список литературы

1. Гоголев, И.Г. Аэродинамические факторы и надёжность турбомашин/ И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, А.Е. Зарянкин. - Брянск: Грани, 1993.-168с.

2. Турбины паровые стационарные. Расчёт осевого усилия: РТМ 108.021.08-86. - НПО ЦКТИ, 1988.-94с.

Аннотация

Приведен усовершенствованный метод расчета аксиального давления, действующего на ротор турбоагрегата.

Ключевые слова: осевое усилие; ротор турбомашины; аксиальное давление; лопаточный венец.

Размещено на Allbest.ru