Длинное и короткое последнее

Ряд лопаток последней ступени (ЛЛП) в секции низкого давления (НД) паровой турбины является ключевым элементом конструкции турбины, поскольку он определяет общую производительность, размеры и количество корпусов машины. Исторически усилия по повышению общей эффективности турбины были сосредоточены на секциях высокого и среднего давления (ВД и ПД). Однако в последние несколько лет производители турбин также начали ориентироваться на секцию низкого давления, которая может производить до 50% общей мощности турбины (рис. 1). Одним из способов повысить эффективность этой секции при определенных значениях давления выхлопных газов является удлинение ее младших разрядов. Это либо уменьшит количество необходимых модулей LP, либо увеличит выходную мощность при более низком давлении в конденсаторе для того же количества модулей.

1. Крупнейший участник. На секцию низкого давления может приходиться до 50% мощности, вырабатываемой паровой турбиной коммунального назначения. С разрешения: Bechtel Power Corp.

Стремление к удлинению LSB исходит не только от разработчиков крупных угольных электростанций, но и от разработчиков относительно небольших электростанций с комбинированным циклом. Существуют существенные различия между турбинами, предназначенными для комбинированного цикла, и для обычных паровых установок. Поскольку подогреватели питательной воды обычно не используются в термическом расчете нижнего цикла, при том же расходе основного пара ВД расход выхлопного пара низкого давления в нижнем цикле может быть на 35% больше, чем в обычной турбине аналогичного размера. Кроме того, в конструкциях донных установок можно использовать воздуховодное топливо для компенсации снижения мощности газовой турбины при высоких температурах окружающей среды или при пиковой загрузке установки, если это экономически оправдано. В США стало довольно распространенным использование большого количества дополнительного сжигания для почти удвоения мощности паровой турбины.

В этой статье исследуются фундаментальные особенности современного междисциплинарного (аэродинамического и механического) проектирования LSB, включая постоянно возрастающую роль сложного анализа вычислительной гидродинамики (CFD). Наша цель — изучить, как на производительность и работоспособность турбин влияет текущая тенденция удлинения LSB. Статья завершается тестовым примером, который описывает реальные варианты выбора подходящей системы LSB.

Обычная конструкция LSB (дозвуковой приток на кончике вращающейся лопасти) достигает аэродинамически приемлемых пределов раньше, чем механических пределов лопасти. Чтобы устранить этот недостаток, производители оригинального оборудования турбин (OEM) приложили значительные усилия к пониманию и совершенствованию конструкции неподвижных и вращающихся лопаток. Изменения существующих традиционных границ конструкции, такие как сверхзвуковой относительный приток на кончике вращающейся лопасти, были оценены в ходе обширных аналитических и экспериментальных испытаний, чтобы получить признание пользователей.

Только полностью разработанный трехмерный анализ ступенчатого потока может обеспечить оптимальный профиль лопатки, способный минимизировать потери от ударных волн, возникающих в результате сверхзвукового потока. Точность современного трехмерного анализа как инструмента прогнозирования значительно улучшилась: теперь он может учитывать неравновесные потоки конденсации с различными условиями влажности пара и вариациями фазового перехода.

Для больших LSB LSB относительное число Маха на выходе является важным параметром конструкции для оценки рабочего диапазона и потерь на выхлопе. Чем длиннее лопасть, тем выше число Маха на выходе, главным образом из-за сильного градиента давления на средней ступени.

На рисунке 2 показано типичное распределение статического давления и числа Маха. Низкое давление во ступице вращающейся лопасти (Ps1) вызывает слабую корневую реакцию, что в конечном итоге приводит к отрыву потока внутри вращающейся лопасти. Число Маха на выходе из неподвижной лопасти (M1) имеет очень сильный градиент, повышая входные числа Маха (Mw1) на ступице и кончике вращающейся лопасти. Высокое давление на кончике приводит к высоким абсолютным значениям чисел Маха на выходе из ступицы неподвижных лопаток и к высоким относительным числам Маха притока на кончике и ступице вращающейся лопасти, что вызывает толчки в проходе ротора.