CC BY
55
УДК 621.165
Р.Р. Симашов, Ю.Л. Куликов
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К МНОГОРЕЖИМНОЙ
ОПТИМИЗАЦИИ ТУРБИН
Представлен анализ различных методик многорежимной оптимизации проточной части турбин.
Ключевые слова: математическая модель, многорежимная оптимизация, переменный режим, малорасходная турбина.
R.R. Simashov, U.L. Kulikov ANALYSIS OF EXISTING METHODS TO MULTIMODE OPTIMIZATION TURBINES
Presents analysis different methods of multimode optimization flowing part turbines.
Key words: mathematical model, multi-mode optimization, variable mode, low-power turbine.
Большинство приводных механизмов эксплуатируются в широком диапазоне режимов, в то время как геометрические характеристики проточной части (ПЧ) определяются на номинальном режиме. Влияние переменных режимов при проектировании обычно учитывается субъективно путем проектирования не на номинальный, а на режим при пониженной среднеэксплуатационной нагрузке [6, 2]. Обеспечение высокой экономичности не только на режимах номинальной мощности, но и на частичных режимах при изменении параметров окружающей среды приводит к постановке и решению задачи оптимизации ПЧ турбины с объективным учетом ее характеристик на переменных режимах.
Попытка объективного учета влияния переменного режима предпринята в [7]. Многорежимная оптимизация (МО) четырехступенчатой газовой турбины осуществлялась на основе результатов расчета на всех режимах, включая и номинальный. В качестве функции цели (ФЦ) было выбрано среднее значение КПД на трех режимах. Режимы задавались частотами вращения (своя частота для данного режима работы). Параметры
перед и за турбиной ( P0 , Г0 , р ) на всех режимах были одинаковыми, а расход газа G был задан в виде границы II рода (fX) > 0) на номинальном режиме. Варьировались по 6 основных геометрических параметров в ПЧ в каждой ступени (а1к, D1, D2, l1, l2, Р2к). МО в такой постановке позволила повысить средний КПД турбины на 1,4 % и улучшить в целом характеристику турбины по сравнению к исходному варианту (рис. 1).
Дальнейшее развитие задача многорежимной оптимизации получила в работах ЛПИ (СПбГПУ) [4, 3]. Развитый в этих работах подход к задаче МО многоступенчатых осевых тепловых турбин позволил успешно применить его к выбору номинального режима цилиндра высокого давления (ЦВД) влажно-паровой турбины с большими нерегулируемыми отборами пара [8] и к оптимизации ПЧ отсеков низкого давления тепловых турбин [5]. Суть подхода заключается в следующем. Поиск оптимального варианта ПЧ многоступенчатой осевой турбины ведется с учетом изменения структуры потока вдоль радиуса в межвенцовых зазорах и расчетом характеристик синтезированной на каждом шаге поиска ПЧ на переменных режимах.
тн, тп - время работы турбины на номинальном и переменном режимах; 1 - ПЧ, спроектированная только на номинальный режим (т = 1); 2 и 3 - ПЧ, спроектированные с учетом переменного режима (т = 0,5 и 0,2 соответственно).
Синтез ПЧ осуществляется на номинальном режиме в рамках квазидвухмерной постановки на заданную номинальную мощность. Расчет переменных режимов, которые
однозначно задаются параметрами перед и за турбиной (Р0г, Т0г, Р^г), ведется в рамках одномерной математической модели. В качестве ФЦ принят осредненный по всем режимам относительный внутренний КПД проточной части
Лт = X 1 X тч >
д=1 д=1
где t - число режимов; T]q - КПД; xq - условное время работы турбины на соответствующем режиме.
Варьируемыми параметрами для каждой ступени выбраны углы потока в корневом сечении ai, а2, /2, угол тангенциального наклона кромок направляющих лопаток S и показатель степени в уравнении, определяющем закрутку угла ai по высоте ПЧ. Поиск максимума ФЦ ищется в (6х^) - мерном пространстве, где у - число ступеней турбины. Приведенные в работах [3, 4] примеры расчета свидетельствуют о целесообразности данного подхода к повышению экономичности турбин на переменных режимах; турбины, спроектированные с учетом переменных режимов, имели больший КПД г/т (см. выше формулу) по сравнению с турбиной, спроектированной на номинальный режим (рис. 2). На номинальном режиме все рассчитанные варианты ПЧ имели примерно одинаковый КПД tjjh « idem.
Рис. 1. Характеристики четырехступенчатой турбины до (—) и после (—) оптимизации Fig. 1. Characteristics of four-stage turbine before (—) and after (—) optimization.
Рис. 2. Влияние T на снижение КПД проточной части Ацт Fig. 2. Influence т at reduce Energy Conversion Efficiency flow section Ацт
Развитый в работах [3, 4] подход к многорежимной оптимизации, как уже указывалось, позволяет решить задачу выбора оптимального номинального режима турбины, работающей с переменными расходами пара. Так как величина теплофикационного отбора может существенно меняться, то турбина работает в спектре режимов (Омин < Оотб > Омакс), среди которых нужно выбрать номинальный (по расходу через отбор), чтобы ее экономичность за период эксплуатации была максимальной. В работе [8] эта задача решалась путем сравнения вариантов ПЧ турбин, спроектированных на различные Оотб. Для каждого варианта решалась задача многорежимной оптимизации в описанной выше постановке. Примеры оптимизации различных вариантов ПЧ турбин с большими нерегулируемыми отборами, приведенные в статье, показали возможность
применения методов многорежимной оптимизации для выбора номинального режима отсека паровой турбины.
Параллельно работе [8] в работе [1] задача выбора оптимального номинального режима турбины с теплофикационными отборами была решена не путем сравнения вариантов, а как задача оптимизации для любого заданного числа отборов. Такая постановка, по сути, является развитием подхода, предложенного в работе [8]. Однако наличие еще одного иерархического уровня оптимизации привело к упрощению задачи собственно многорежимной оптимизации турбины: оптимизация на номинальном режиме ведется только на среднем диаметре, коэффициенты потерь при расчете переменных режимов принимаются постоянными. Результаты расчетов, приведенные в статье, и основные выводы согласуются с приведенными в работе [8].
Развитые в рассмотренных работах прогрессивные подходы к многорежимной оптимизации требуют дальнейшего совершенствования с учетом графиков нагрузок, системы парораспределения и программ регулирования турбины, т.е. разработки задачи многорежимной оптимизации МРТ в составе энергетической установки, как того требует системный подход к проектированию АЭУ.
Список литературы
1. Гаркуша А.В., Субботович В.П. Методика выбора оптимальных расчетных режимов при проектировании ступеней турбины, работающей с переменными расходами пара // Энергетическое машиностроение. - 1988. - № 45. - С. 7-14.
2. Курзон А.Г. Теория судовых паровых и газовых турбин. - Л.: Судостроение, 1970. -592 с.
3. Лапшин К.Л. Оптимизация проточных частей многоступенчатых турбин. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1992. - 196 с.
4. Лапшин К.Л. Многорежимная оптимизация проточных частей осевых тепловых турбин // Теплоэнергетика. - 1986. - № 1. - С. 56-57.
5. Лапшин К.Л. Оптимизация проточных частей отсеков низкого давления тепловых турбин // Теплоэнергетика. - 1989. - № 2. - С. 18-21.
6. Топунов А.М. Теория судовых турбин. - Л.: Судостроение, 1985. - 472 с.
7. Тунаков А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1979. - 184 с.
8. Ферафонтьев Ю.В., Лапшин К.Л., Гаев В.Д. К выбору оптимального номинального режима ЦВД влажно-паровой турбины с большими нерегулируемыми отборами пара // Теплоэнергетика. - 1988. - № 11. - С. 64-65.
Сведения об авторах: Симашов Рафаиль Равильевич, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected];
Куликов Юрий Львович, старший преподаватель, e-mail: [email protected].
