Проектирование в машиностроении и электронике

Проектирование обоймы диафрагм турбины Т-295/335-23,5

В.И. Брезгин,

проф., д.т.н., с.н.с., vibr@list.ru,

М.А. Вагин,

асп., vaginmaxim@gmail.com,

УрФУ, г. Екатеринбург

Турбина Т-295/335-23,5, предназначенная для привода турбогенератора с частотой вращения 50 с^-1 (3000 об/мин) и отпуска теплоты для нужд отопления и горячего водоснабжения в настоящее время находится в стадии проектирования на ЗАО «Уральский турбинный завод» (г. Екатеринбург) и предназначена для замены самой мощной на сегодня теплофикационной турбины Т-250/300-240 на ТЭЦ Мосэнерго, выработавшей свой ресурс.

Целью данной работы является проектирование обоймы №1 цилиндра высокого давления Т-295/335-23,5, представленной на рис. 1. Обоймы служат для размещения в них диафрагм или сегментов концевых уплотнений.

Рис. 1. Обоймы №1 цилиндра высокого давления Т-295/335-23,5

В процессе проектирования деталей проточной части турбин, этап газодинамических расчетов становится неотъемлемой частью процесса конструирования. Для оптимизации конструкции обоймы разработана 3D-модель межцилиндрового пространства, представленная на рис. 2. Она состоит из объемов, заключенных между наружным и внутренним корпусами цилиндра. Модель сопловых лопаток диафрагмы является обязательной частью при продувке межцилиндрового пространства. Как показали исследования и испытания ЛМЗ, отработка конструкций проточной части должна проводиться только совместно с сопловой решеткой. Продувка моделей с решеткой и без нее показали, что не только потери существенно отличаются, но и наличие лопаток вызывает существенную перестройку потока.

Рис. 2. 3D-модель межцилиндрового пространства

Так как модель проточной части обладает довольно сложной геометрией, построение сетки конечных элементов крайне затруднено. Математическая модель, заложенная в программу, включает в себя уравнения, описывающие течение, и явления, сопровождающие течения. Поэтому оптимально построенная сетка, представленная на рис. 3 и последующее задание граничных условий является ключом к правильному численному эксперименту.

Анализ структуры потока помогает лучше разобраться с особенностями течения пара в межцилиндровом пространстве ЦВД и, соответственно, сконструировать его с оптимальной геометрической формой.

Рис.3 Структурная сетка межцилиндрового пространства

По результатам расчетов были выявлены проблемные зоны. На рис. 4 отчётливо видны вихри, обозначенные буквами (А, Б, В, Г).

Рис. 4 Контур распределения скорости движения пара по ЦВД

В зоне (А) происходит образование небольшого вихря за счет того, что в этом месте поток пара резко меняет свое направление движения и оторвавшись от стенок внутреннего корпуса прижимается к стенкам внешнего корпуса ЦВД. После этого пар обтекает шпонку и постепенно замедляясь, попадает в зону (Б).

В этой точке расположен массивный вихрь, появившийся из-за геометрических особенностей внутреннего цилиндра и паровпускных патрубков. Он значительно искажает течение пара во внутрицилиндровом пространстве.

После обтекания второй шпонки в зоне (В) видна теневая зона и области разряжения с вихрями, расположенными у корпуса внутреннего цилиндра.

В надобойменном пространстве (Г) также виден вихрь, вызванный конструкцией обоймы. Пар врезается в опорный шип и в саму поверхность обоймы, закручивается, тем самым создавая биения потока, которые имеют негативное влияние.

Так как конструкция межцилиндрового пространства имеет сложную, трудно обтекаемую, не полностью симметричную форму, это предполагает, что поток не будет однородным. На рис. 5 видно, что скорость пара не одинакова по окружности, а имеет характерные зоны.

Рис. 5 Контур скорости пара в межвенцовом пространстве диафрагмы

На данной гистограмме, рис 6, показаны отклонения в процентах значений массового расхода пара через венцы диафрагмы.

Рис. 6 Гистограмма отношений массовых расходов в межвенцовых пространствах относительно среднего значения

Для улучшения технико-экономических показателей турбины и параметров течения требуется проработать межцилиндровое пространство. Работы по корректировке тока пара планируются проводить на обойме №1 ЦВД, путем изменения ее конструкции.

Было выдвинуто два варианта обоймы: с прямым и наклонным обтекателем, представленных на рис. 7 и рис. 8, соответственно. Крепление осуществляется сваркой и вся конструкция укрепляется ребрами. Главная роль обтекателя – препятствовать влиянию вихрей в надобойменной зоне на поток.

Рис. 7 Обойма с прямым обтекателем Рис. 8 Обойма с наклонным обтекателем

На рис. 9 представлено сравнение 3-х конструкций. Модель с прямым обтекателем хорошо блокирует вихрь и предотвращает его влияние на поток. Наклонный обтекатель тоже хорошо справляется с этой задачей. Но плюс этой конструкции, перед остальными – это более аэродинамически правильная конструкция обтекателя, благодаря которой пар не ударяется об стенку, а плавно поворачивает. При сравнении результатов было выявлено, что наименьшее сопротивление пару создает конструкция с наклонным обтекателем, что может дать прибавку мощности всей турбине в целом. Характер течения пара стал лучше, а вихри меньше. Контур скорости пара выровнялся, и это значит что течение пара стало равномернее.

Рис. 9 Сравнение контуров скорости пара в различных конструкциях. А – без обтекателя; Б – прямой обтекатель; В – наклонный обтекатель

Таким образом, конструкция с наклонным обтекателем является лучшим вариантом. Также был произведен тепловой расчет турбоустановки и выявлено, что прирост мощности турбины за счет установки обтекателя составляет 20кВт.

Расчет на прочность было принято проводить в ANSYS. Для начала расчетов необходимо разбить 3D модель обоймы на сетку конечных элементов. Затем были заданы граничные условия, учитывающие влияние перепадов давления и температур перед и за корпусом обоймы, а также на диафрагмах, силу затяжки призонных болтов и шпилек, вес обоймы, вес и осевые усилия диафрагм, крутящие моменты.

На рис. 10 показано распределение напряжений по поверхности обоймы. Видно, что максимум наблюдается на фланцах в местах размещения шпилек и болтов, а также на опорном шипе. Это обусловлено большой силой затяжки крепежа.

Рис. 10 Эквивалентные напряжения в обойме

Также приведен рис 11, показывающий распределение давления на поверхности фланцевого разъема. Наблюдается максимум именно в местах расположения шпилек и болтов и постепенное снижение до минимума по направлению к задней части обоймы и обтекателя.

В конце был выполнен расчет на плотность фланцевого соединения, изображенный на рис. 12, результаты которого могут говорить о том, что крепеж был рассчитан и выбран правильно. Наблюдается небольшое раскрытие обоймы лишь в самом конце обоймы, в зоне третьей диафрагмы, что не сказывается на надежности всей конструкции.

Рис. 11 Распределение давления по фланцу Рис. 12 Плотность фланцевого соединения

На основе полученных расчетов была спроектирована обойма №1 с оптимальными аэродинамическими и прочностными качествами. Опыт проектирования элементов турбин показал, что использование современных методов компьютерного анализа и моделирования ускоряют и упрощают процесс конструирования узлов и деталей турбин, позволяют наглядно видеть процессы, происходящие в изделии во время эксплуатации и учитывать недостатки предыдущих конструкций при разработке новых.