Актуальность проблемы. На сегодняшний день повышение эффективности турбомашин на переменных режимах работы является одной из приоритетных задач производителей и потребителей энергетического оборудования. Для стационарных газотурбинных установок (ГТУ) средней и большой мощности, работающих с постоянной частотой вращения компрессорного вала, большой резерв в повышении их эффективности заключается в рациональном использовании регулируемого входного направляющего аппарата (РВНА) осевого компрессора (ОК), обеспечивающего регулирование расхода воздуха.
С началом широкого применения одновальных энергетических ГТУ в парогазовых установках (ПГУ) поддержание постоянной температуры выхлопных газов на выходе из турбины во всём диапазоне мощностей стало иметь ещё большее значение. Без регулирования расхода циклового воздуха температура газов за ГТУ изменяется существенно, что может приводить к работе паровой турбины в составе ПГУ на скользящих параметрах пара, сопровождающихся снижением ресурса лопаточного аппарата паровой турбины. Таким образом, необходимо эффективное управление температурой продуктов сгорания за ГТУ, которое можно реализовать с помощью регулируемого входного направляющего аппарата осевого компрессора.
Как правило, изменение расхода воздуха через компрессор, работающий с постоянной частотой вращения, в первую очередь определяется положением лопаток РВНА, а все последующие поворотные венцы служат для лучшего согласования проходных сечений. В связи с этим исследование возможностей эффективного регулирования компрессора и ГТУ в целом при помощи одного венца поворотных лопаток (РВНА) представляет наибольший интерес. Конструкции ОК с одним поворотным направляющим аппаратом широко распространены как в приводных, так и в энергетических ГТУ.
Применение РВНА в широком диапазоне изменения углов установки лопаток сопровождается снижением КПД проточной части осевого компрессора, что не позволяет максимально эффективно реализовать принцип количественного регулирования. В некоторых случаях это приводит к недопустимому снижению запаса газодинамической устойчивости компрессора (известны случаи аварийных остановов ГТУ, в том числе с разрушением лопаточного аппарата компрессора).
В этой связи актуальность работы, определяющая её цели и задачи, заключается во всестороннем исследовании возможных способов повышения эффективности и газодинамической устойчивости работы первой ступени осевого компрессора с регулируемым входным направляющим аппаратом во всём диапазоне переменных и переходных режимов.
Цель работы: повышение эффективности работы первой ступени осевого компрессора ГТУ с регулируемым входным направляющим аппаратом. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать характерные особенности работы первой ступени осевого компрессора, регулируемого только одним рядом поворотных лопаток статора - РВНА. Определить критические параметры, определяющие диапазон регулирования, а также влияющие на эффективность работы ступени на переменных режимах.
2. Разработать рекомендации по проектированию входной ступени осевого компрессора стационарной ГТУ, работающей с постоянной частотой вращения компрессорного вала.
3. Разработать алгоритм проектирования осевой компрессорной ступени с РВНА для максимально широкого диапазона возможных параметров ступени с учётом выработанных рекомендаций.
4. Выполнить расчётное исследование с целью оценки эффективности и обоснованности предложенных рекомендаций на основе численного решения уравнений Навье-Стокса в трёхмерной постановке.
Научная новизна работы определяется тем, что:
1) разработана математическая модель процесса сжатия воздуха в компрессорной ступени, позволяющая оценить эффективность работы ступени при частичном и максимальном прикрытии лопаток РВНА;
2) на основании разработанной математической модели обоснованы пределы эффективной работы первой ступени осевого компрессора с РВНА при постоянной частоте вращения, необходимые для реализации программ управления ГТУ с поддержанием постоянной температуры на выходе из турбины;
3) рассмотрена целесообразность применения различных законов радиального равновесия в ступени с поворотными лопатками ВНА и обоснован выбор оптимального закона в зависимости от характеристических параметров ступени и предполагаемых режимов работы ОК;
4) разработан метод и реализован автоматизированный алгоритм проектирования осевой компрессорной ступени с РВНА, предусматривающий одновременный расчёт ступени более чем на один режим работы.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена:
- использованием в процессе выполнения работы в качестве базовых наиболее современных апробированных и научно обоснованных программ и методик на основе численного трёхмерного анализа течений в лопаточных аппаратах турбомашин;
- верификацией разработанного метода проектирования на хорошо отработанных модельных ступенях.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Выработаны рекомендации по проектированию входной компрессорной ступени с регулируемым входным направляющим аппаратом в части выбора геометрических и газодинамических параметров.
2. Разработан и реализован метод проектирования ступени осевого компрессора с РВНА, предназначенной для высокоэффективной работы в качестве первой ступени ОК энергетических и приводных ГТУ.
3. Отработана методика расчёта компрессорной ступени из условия эффективной работы на нескольких режимах, что позволит повысить экономичность осевых компрессоров на переменных режимах работы.
4. На основании отработанной методики предложены конструктивные мероприятия по модернизации первой ступени осевого компрессора приводной газотурбинной установки ГТК 25ИР, позволяющие улучшить работу компрессора на переменных режимах.
Личный вклад автора заключается в научно-техническом обосновании поставленных целей и задач исследования, разработке математической модели исследуемой ступени, постановке и проведении расчётных исследований, направленных на выполнение поставленных задач; в разработке метода и автоматизации алгоритма пространственного проектирования компрессорной ступени, работающей в широком диапазоне углов установки лопаток РВНА; в обработке и анализе полученных результатов, а также разработке соответствующих рекомендаций.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты расчётов и их анализ, свидетельствующий о возможности создания первой ступени осевого компрессора с РВНА, работающей с высокой эффективностью и достаточным запасом газодинамической устойчивости в широком диапазоне изменения расхода воздуха в ОК за счёт регулирования положения лопаток РВНА.
2. Рекомендации по проектированию первой ступени осевого компрессора с РВНА, рассчитанной на работу при одновенечном регулировании расхода воздуха в режиме реального времени.
3. Метод проектирования компрессорной ступени, работающей с постоянной частотой вращения в широком диапазоне углов установки лопаток РВНА.
4. Автоматизированный алгоритм проектирования первой ступени, позволяющий в короткие сроки получить геометрическую модель модернизированной или вновь создаваемой ступени и в последующем верифицировать её в программном комплексе вычислительной газодинамики.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на:
■ ЫП научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (Москва, 2006);
■ Четырнадцатом международном симпозиуме «Потребители- производители компрессоров и компрессорного оборудования» (Санкт- Петербург, 2008);
■ XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» (Москва, 2008);
■ LVI научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин, , (Пермь, 2009);
■ III Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (Москва, 2009);
■ Пятнадцатом международном симпозиуме «Потребители- производители компрессоров и компрессорного оборудования» (Санкт- Петербург, 2010).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются ЗАО «Уральский турбинный завод» в процессе проектирования и модернизации ОК приводных и энергетических ГТУ. Результаты работы используются в учебном процессе подготовки специалистов, бакалавров и магистров Уральского федерального университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 статьи в реферируемых изданиях по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка использованной литературы, включающего 153 наименования. Работа изложена на 187 страницах, содержит 53 рисунка и 15 таблиц.
1. Разработана математическая модель компрессорной ступени с РВНА, позволяющая оценить её эффективность на рабочих режимах эксплуатации. Модель составлена с использованием отработанных методик проектирования компрессорной ступени, а также рекомендаций по определению аэродинамических параметров ступени на режимах, отличных от номинального.
2. На основании выполненных численных исследований доказано, что однорядное регулирование осевого компрессора при постоянной частоте вращения ротора имеет существенный потенциал в повышении эффективности.
3. Доказана необходимость повышения запаса газодинамической устойчивости первых ступеней на режимах с полностью прикрытыми лопатками РВНА.
4. Вариантные расчёты компрессорной ступени с РВНА на основе разработанной автором математической модели позволили обосновать необходимость использования переменного по высоте профиля лопаток РВНА, а также специального профилирования первой ступени осевого компрессора.
5. Проведён двухмерный расчёт компрессорной ступени с РВНА с произвольной закруткой на номинальном и переменном режиме во всём диапазоне углов прикрытия лопаток РВНА. Исследованы принципы работы и проведена многофакторная оптимизация такой компрессорной ступени.
6. Разработан метод и алгоритм, предназначенный для создания пространственных моделей лопаточных венцов компрессорной ступени в формате координат поверхности лопаток, в котором предусмотрена возможность учёта ограничений, накладываемых задачами проекта.
7. Отработан и верифицирован автоматизированный алгоритм пространственного расчёта течения воздуха в осевой компрессорной ступени с использованием программного комплекса, основанного на численном решении уравнений Навье-Стокса.
8. По результатам исследования выработаны рекомендации по проектированию первой ступени осевого компрессора, работающего с постоянной частотой вращения и регулируемого поворотом лопаток входного направляющего аппарата.
9. Результаты работы могут быть применены как для существующих, так и для вновь проектируемых осевых компрессоров, работающих с постоянной частотой вращения компрессорного вала. Наибольшую актуальность подобный способ регулирования имеет для повышения манёвренности и эффективности современных ГТУ в составе ПГУ.
10. Полученные принципы проектирования компрессорной ступени с РВНА могут быть распространены и на проектирование входной группы ступеней с несколькими поворотными венцами. При этом использование выработанных рекомендаций позволит снизить количество поворотных венцов при сохранении требуемого диапазона регулирования расхода и эффективности. Для существующих конструкций применение подобных принципов позволит существенно расширить диапазон регулирования, а также эффективность работы входной группы ступеней на переменных режимах работы.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
