Моделирование потоков влажного пара в сопловой турбинной решетке

  • Владимир [Vladimir] Георгиевич [G.] Грибин [Gribin]
  • Александр [Aleksandr] Антонович [A.] Тищенко [Tishchenko]
  • Илья [Il'ya] Юрьевич [Yu.] Гаврилов [Gavrilov]
  • Виктор [Viktor] Александрович [A.] Тищенко [Tishchenko]
  • Виталий [Vitaliy] Владимирович [V.] Попов [Popov]
  • Роман [Roman] Андреевич [A.] Алексеев [Alekseev]
Ключевые слова: последние ступени паровых турбин, влажный пар

Аннотация

Повышение технико-экономических характеристик проточных частей турбин, работающих в зоне влажного пара, требует решения ряда задач, связанных с отрицательным воздействием жидкой фазы на надежность и эффективность работы лопаточного аппарата. Одной из наиболее остро стоящих проблем в этом направлении является ресурсоемкость внедрения новых технологических решений, связанная со сложностью, длительностью и высокой стоимостью необходимого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Это обусловлено трудностью получения достоверных данных о структуре двухфазного потока и процессах, происходящих в нем в условиях, максимально приближенных к реальным параметрам работы влажно-паровых отсеков турбомашин. Методы численного моделирования способны существенно упростить процесс проектирования элементов проточных частей паровых турбин, однако, сложность явлений, протекающих при расширении пара в турбинных ступенях, требует тщательной валидации расчетных моделей. Предложена методика моделирования влажно-паровых потоков, способная охватить достаточно большой спектр явлений, учет которых необходим для корректного описания параметров двухфазной среды. Разработанная методика включает три различные базовые модели программного кода Ansys Fluent, каждая из которых решает задачу движения отдельных физических объектов в потоке. Модели движения паро-капельной смеси и крупнодисперсных эрозионно-опасных капель были существенно переработаны посредством включения в исходный код дополнительных программируемых модулей. Для моделирования движения и формирования водяной пленки использовалась стандартная модель Эйлеровской двумерной пленки. Проведена валидация предложенной методики численного моделирования в объектах различной геометрии для широкого диапазона начальных и режимных параметрах пара. В результате сравнения расчетных и экспериментальных данных установлено удовлетворительное совпадение результатов как в зоне Вильсона, так и во влажно-паровых потоках с развитыми пленочными течениями. Разработанная методика расчета течений перегретого и влажного пара может быть использована при проектировании ступеней паровых турбин, работающих в областях нестационарной конденсации и влажного пара, и активных методов борьбы с эрозионноопасной влагой.

Сведения об авторах

Владимир [Vladimir] Георгиевич [G.] Грибин [Gribin]

Учёная степень:

доктор технических наук

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева НИУ «МЭИ»

Должность

заведующий кафедрой

Александр [Aleksandr] Антонович [A.] Тищенко [Tishchenko]

Учёная степень:

кандидат технических наук

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева НИУ «МЭИ»

Должность

доцент

Илья [Il'ya] Юрьевич [Yu.] Гаврилов [Gavrilov]

Учёная степень:

кандидат технических наук

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева НИУ «МЭИ»

Должность

старший преподаватель

Виктор [Viktor] Александрович [A.] Тищенко [Tishchenko]

Учёная степень:

кандидат технических наук

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин НИУ МЭИ

Должность

старший преподаватель

Виталий [Vitaliy] Владимирович [V.] Попов [Popov]

Учёная степень:

кандидат технических наук

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева НИУ «МЭИ»

Должность

ассистент

Роман [Roman] Андреевич [A.] Алексеев [Alekseev]

Место работы

кафедра Паровых и газовых турбин им. А.В. Щегляева НИУ «МЭИ»

Должность

инженер, аспирант

Литература

1. Petr V., Kolovratnik M. Wet Steam Energy Loss and Related Baumann Rule in Low Pressure Steam Turbines // J. Power and Energy. 2014. V. 228. No. 2. Pp. 206—215.

2. Дейч М.Е. Газодинамика решеток турбомашин. М.: Энергоатомиздат, 1996.

3. Филиппов Г.А., Неккер Р., Селезнев Л.И. К расчету возникновения влаги в проточных частях турбин // Теплоэнергетика. 1977. № 7. С. 9—14.

4. Schatz M., Eberle T. Experimental Study of Steam Wetness in a Model Steam Turbine Rig: Presentation of Results And Comparison with Computational Fluid Dynamics Data // J. Power and Energy. 2014. V. 228. No. 2. Pp. 129—142.

5. Qulan Zhoum, Na Li, Xi Chen, Akio Yonezu, Tongmo Xu, Shien Hui, Di Zhang. Water Drop Erosion Turbine Blades: Numerical Framework and Application // Materials Transactions. 2008. V. 49. No. 7. Pp. 1606—1615.

6. Назаров В.В., Усачев К.М. Основные направления развития конструкций систем внутриканального удаления и дробления влаги в проточных частях влажнопаровых турбин // Тяжелое машиностроение. 2014. № 7. С. 13—17.

7. Young J.B., Yau K.K., Walters P.T. Fog Droplet Deposition and Coarse Water Formation in Low-pressure Steam Turbines: a Combined Experimental and Theoretical Analysis // J. Turbomachinery. 1988. V. 110. No. 2. Pp. 163–172.

8. Xiaoshu Cai, Li Ma, Chang Tian, Junfeng Li, Deiliang Ning, Wei Xu. Measurement of Coarse Water in Steam Turbines // Proc. Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

9. Филиппов Г.А., Поваров О.А. Сепарация влаги в турбинах АЭС. М.: Энергия, 1980.

10. Аветисян А.Р., Зайчик Л.И., Филиппов Г.А. Влияние турбулентности на стационарную и нестационарную спонтанную конденсацию пара в трансзвуковых соплах // Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45. № 5. С. 717—724.

11. Young J.B. Two-dimensional, Nonequilibrium, Wet-steam Calculations for Nozzles and Turbine Cascades // J. Turbomachinery. 1992. V. 114. Pp. 569—579.

12. Young J.B. Semi-Analytical Techniques for Investigating Thermal Non-equilibrium Effects in Wet-steam Turbines // Intern. J. Heat and Fluid Flow. 1984. V. 5. No. 2. Pp. 81—91.

13. Halama J., Fort J. Transonic Flow of Wet Steam: Some Remarks on Numerical Simulation // Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

14. Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Switzerland: The International Association for the Properties of Water and Steam, 2007.

15. Филиппов Г.А., Аветисян А.Р. Расчетное исследование течения влажного пара в комбинированном выхлопе паровых турбин АЭС // Теплоэнергетика. 2010. № 9. С. 26—31.

16. Циглер Х.Х. Сепарация влаги в лопаточном канале паровой турбины // Энергомашиностроение. 1967. № 4. С. 23—25.

17. Watanabe E., Ohyama H., Tsutsumi M., Maruyama T., Tabata S. Comprehensive Research of Wetness Effects in Steam Turbines // Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

18. Morsi S.A., Alexander A.J. An Investigation of Particle Trajectories in Two-phase Flow Systems // J. Fluid Mechanics. 1972. V. 55. No. 2. Pp. 193—208.

19. Carlson D.J., Hoglund R.F. Particle Drag and Heat Transfer in Rocket Nozzles // AIAA J. 1964. V. 2. No. 11. Pp. 1980–1984.

20. Кириллов И.И., Фаддеев И.П., Шубенко А.Л. Сепарирующая способность решеток турбинных профилей, работающих на влажном паре // Энергомашиностроение. 1970. № 10. С. 40—41.

21. Moore M.J., Walters P.T., Crane R.I., Davidson B.J. Predicting the Fog-Drop Size in Wet-Steam Turbines // Proc. IMechE Conf. on Heat and Fluid Flow in Steam and Gas Turbine Plant. Coventry, 1973. Pp. 101—109.

22. Moses C.A., Stein G.D. On the Growth of Steam Droplets Formed in a Laval Nozzle Using Both Static Pressure and Light Scattering Measurements // J. Fluids Eng. 1978. V. 100. No. 4. Pp. 311—322.

23. Тищенко В.А. Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно-парового потока в элементах проточных частей турбомашин: дис. ... канд. техн. наук. М., 2014.

24. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981.

25. Filippov G.A., Gribin V.G., TishchenkoA.A., Tischenko V.A., Gavrilov I.Yu. Experimental Studies of Polydispersed Wet Steam Flows In A Turbine Blade Cascade // J. Power and Energy. 2014. V. 228. No. 2. Pp. 168—177.

26. Gribin V.G. e. a. Experimental Study of Intra- channel Separation in a Flat Nozzle Turbine Blade Assembly with Wet Stream Flow // J. Power Techn. and Eng. 2016. V. 50. No. 2. Pp. 180—187.

27. Гаврилов И.Ю., Попов В.В., Сорокин И.Ю., Тищенко В.А., Хомяков С.В. Методика бесконтактного определения средних размеров эрозионно-опасных капель в полидисперсном влажно-паровом потоке // Теплоэнергетика. 2014. № 8. С. 39—46.

28. Грибин В.Г. и др. Влияние режимных параметров паротурбинной установки на характер распределения потоков частиц жидкой фазы за изолированной сопловой решеткой во влажно-паровом потоке // Промышленная энергетика. 2015. № 11. С. 30—36.

29. Филиппов Г.А. и др. Влияние вдува пара на характеристики сопловой решетки, работающей в условиях влажно-парового потока // Теплоэнергетика. 2016. № 4. С. 3—8.

30. Gribin V.G. е. а. Experimental Study of the Features of the Motion of Liquid-phase Particles in the Interblade Channel of the Nozzle Array of a Steam Turbine// Power Techn. and Eng. 2017. V. 51. No. 1. Pp. 82—88.

31. Mundo C., Sommerfeld M., Tropea C. Droplet- Wall Collisions: Experimental Studies of the Deformation and Breakup Process // Intern. J. Multiphase Flow. 1995. V. 21. No. 2. Pp. 151—173.
---
Для цитирования: Грибин В.Г., Тищенко А.А., Гаврилов И.Ю., Тищенко В.А., Попов В.В., Алексеев Р.А. Моделирование потоков влажного пара в сопловой турбинной решетке // Вестник МЭИ. 2018. № 3. С. 8—20. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-3-8-20.
#
1. Petr V., Kolovratnik M. Wet Steam Energy Loss and Related Baumann Rule in Low Pressure Steam Turbines. J. Power and Energy. 2014;228;2:206—215.

2. Deych M.E. Gazodinamika Reshetok Turbomashin. M.: Energoatomizdat, 1996. (in Russian).

3. Filippov G.A., Nekker R., Seleznev L.I. K Raschetu Vozniknoveniya Vlagi v Protochnyh Chastyah Turbin. Teploenergetika. 1977;7:9—14. (in Russian).

4. Schatz M., Eberle T. Experimental Study of Steam Wetness in a Model Steam Turbine Rig: Presentation of Results And Comparison with Computational Fluid Dynamics Data. J. Power and Energy. 2014;228;2:129—142.

5. Qulan Zhoum, Na Li, Xi Chen, Akio Yonezu, Tongmo Xu, Shien Hui, Di Zhang. Water Drop Erosion Turbine Blades: Numerical Framework and Application. Materials Transactions. 2008;49;7:1606—1615.

6. Nazarov V.V., Usachev K.M. Osnovnye Napravleniya Razvitiya Konstruktsiy Sistem Vnutrikanal'nogo Udaleniya i Drobleniya Vlagi v Protochnyh Chastyah Vlazhnoparovyh Turbin. Tyazheloe Mashinostroenie. 2014;7:13—17. (in Russian).

7. Young J.B., Yau K.K., Walters P.T. Fog Droplet Deposition and Coarse Water Formation in Low-pressure Steam Turbines: a Combined Experimental and Theoretical Analysis. J. Turbomachinery. 1988;110;2:163–172.

8. Xiaoshu Cai, Li Ma, Chang Tian, Junfeng Li, Deiliang Ning, Wei Xu. Measurement of Coarse Water in Steam Turbines. Proc. Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

9. Filippov G.A., Povarov O.A. Separatsiya Vlagi v Turbinah AES. M.: Energiya, 1980. (in Russian).

10. Avetisyan A.R., Zaychik L.I., Filippov G.A. Vliyanie Turbulentnosti na Statsionarnuyu i Nestatsionarnuyu Spontannuyu Kondensatsiyu Para v Transzvukovyh Soplah. Teplofizika Vysokih Temperatur. 2007;45;5:717—724. (in Russian).

11. Young J.B. Two-dimensional, Nonequilibrium, Wet-steam Calculations for Nozzles and Turbine Cascades. J. Turbomachinery. 1992;114:569—579.

12. Young J.B. Semi-Analytical Techniques for Investigating Thermal Non-equilibrium Effects in Wet-steam Turbines. Intern. J. Heat and Fluid Flow. 1984;5;2:81—91.

13. Halama J., Fort J. Transonic Flow of Wet Steam: Some Remarks on Numerical Simulation. Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

14. Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. Switzerland: The International Association for the Properties of Water and Steam, 2007.

15. Filippov G.A., Avetisyan A.R. Raschetnoe Issledovanie Techeniya Vlazhnogo Para v Kombinirovannom Vyhlope Parovyh Turbin AES. Teploenergetika. 2010;9:26—31. (in Russian).

16. Tsigler H.H. Separatsiya Vlagi v Lopatochnom Kanale Parovoy Turbiny. Energomashinostroenie. 1967;4:23—25. (in Russian).

17. Watanabe E., Ohyama H., Tsutsumi M., Maruyama T., Tabata S. Comprehensive Research of Wetness Effects in Steam Turbines. Baumann Centenary Conf. Cambridge, 2012.

18. Morsi S.A., Alexander A.J. An Investigation of Particle Trajectories in Two-phase Flow Systems. J. Fluid Mechanics. 1972;55;2:193—208.

19. Carlson D.J., Hoglund R.F. Particle Drag and Heat Transfer in Rocket Nozzles. AIAA J. 1964;2;11:1980–1984.

20. Kirillov I.I., Faddeev I.P., Shubenko A.L. Separiruyushchaya Sposobnost' Reshetok Turbinnyh Profiley, Rabotayushchih na Vlazhnom Pare. Energomashinostroenie. 1970;10:40—41. (in Russian).

21. Moore M.J., Walters P.T., Crane R.I., Davidson B.J. Predicting the Fog-Drop Size in Wet-Steam Turbines. Proc. IMechE Conf. on Heat and Fluid Flow in Steam and Gas Turbine Plant. Coventry, 1973:101—109.

22. Moses C.A., Stein G.D. On the Growth of Steam Droplets Formed in a Laval Nozzle Using Both Static Pressure and Light Scattering Measurements. J. Fluids Eng. 1978;100;4:311—322.

23. Tishchenko V.A. Razrabotka i Realizatsiya Metodiki Opredeleniya Parametrov Zhidkoy Fazy Vlazhno-parovogo Potoka v Elementah Protochnyh Chastey Turbomashin: Dis. ... Kand. Tekhn. Nauk. M., 2014. (in Russian).

24. Deych M.E., Filippov G.A. Gazodinamika Dvuhfaznyh Sred. M.: Energoizdat, 1981. (in Russian).

25. Filippov G.A., Gribin V.G., Tishchenko A.A., Tischenko V.A., Gavrilov I.Yu. Experimental Studies of Polydispersed Wet Steam Flows In A Turbine Blade Cascade. J. Power and Energy. 2014;228;2:168—177.

26. Gribin V.G. e. a. Experimental Study of Intra-channel Separation in a Flat Nozzle Turbine Blade Assembly with Wet Stream Flow. J. Power Techn. and Eng. 2016;50;2:180—187.

27. Gavrilov I.Yu., Popov V.V., Sorokin I.Yu., Tishchenko V.A., Homyakov S.V. Metodika Beskontaktnogo Opredeleniya Srednih Razmerov Erozionno-opasnyh Kapel' v Polidispersnom Vlazhno-parovom Potoke. Teploenergetika. 2014;8:39—46. (in Russian).

28. Gribin V.G. i dr. Vliyanie Rezhimnyh Parametrov Paroturbinnoy Ustanovki na Harakter Raspredeleniya Potokov Chastits Zhidkoy Fazy za Izolirovannoy Soplovoy Reshetkoy vo Vlazhno-parovom Potoke. Promyshlennaya Energetika. 2015;11:30—36. (in Russian).

29. Filippov G.A. i dr. Vliyanie Vduva Para na Harakteristiki Soplovoy Reshetki, Rabotayushchey v Usloviyah Vlazhno-parovogo Potoka. Teploenergetika. 2016;4:3—8. (in Russian).

30. Gribin V.G. е. а. Experimental Study of the Features of the Motion of Liquid-phase Particles in the Interblade Channel of the Nozzle Array of a Steam Turbine. Power Techn. and Eng. 2017;51;1:82—88.

31. Mundo C., Sommerfeld M., Tropea C. Droplet- Wall Collisions: Experimental Studies of the Deformation and Breakup Process. Intern. J. Multiphase Flow. 1995;21;2:151—173.
---
For citation: Gribin V.G., Tishchenko А.А., Gavrilov I.Yu., Tishchenko V.А., Popov V.V., Alekseev R.А. Modeling Wet-steam Flows in the Flow Paths of Steam Turbines. MPEI Vestnik. 2018;3:8—20. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-3-8-20.
Опубликован
2018-06-01
Раздел
Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение (05.04.00)