Представлено результати газодинамічного проєктування нової проточної частини циліндра високого тиску (ЦВТ) реактивного типу конденсаційної парової турбіни серії К-300. Проєктування виконано з використанням комплексної методології, яку реалізовано в програмному комплексі IPMFlow. Методологія містить газодинамічні розрахунки різних рівнів складності, а також методи аналітичного побудування просторової форми лопаткових трактів на основі обмеженої кількості параметризованих величин. В 3D розрахунках турбулентних течій враховано реальні термодинамічні властивості води й водяної пари. На заключному етапі проведено скрізні 3D розрахунки ЦВТ, що складається з 18 ступенів, в яких застосовано технологію паралельних обчислень. Показано, що в розробленому ЦВТ за рахунок застосування реактивних ступенів із сучасними гладкими профілями та монотонними меридіональними обводами досягнуто суттєвого приросту коефіцієнта корисної дії та потужності.

Індекс рубрикатора НБУВ: В253.342

Рубрики:

Середовища багатофазні. Середовища багатокомпонентні. Спеціальні розділи < Гідро- і аеродинаміка >

Шифр НБУВ: Ж16851 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Основні питання, пов'язані з розробкою двофазних контурів теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для систем забезпечення теплового режиму космічних апаратів з великою енергоозброєністю, сформульовано ще на початку 80-х рр. Вони мають незаперечні переваги у порівнянні з однофазними контурами з механічним прокачуванням і двофазними контурами з капілярним прокачуванням за потужності понад 6 кВт і відстані теплопереносу понад 10 м. Інтенсивні дослідження і розробки таких систем розпочато в США спільно з європейськими, канадськими і японськими фахівцями у зв'язку з планами створення нових космічних апаратів великої потужності і проєктом орбітальної станції Freedom. У 90-ті рр. в РКК "Енергія" ім. С. П. Корольова (Росія) велися роботи зі створення двофазного контуру теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для російського сегменту Міжнародної космічної станції (МКС) потужністю 20 - 30 кВт. Для цього було задіяно провідні дослідницькі організації колишнього СРСР. Інтерес до двофазних контурів в останні два десятиліття суттєво зріс через проекти потужних стаціонарних космічних платформ та різних місячних і марсіанських місій. У роботі подано ретроспективний огляд світових розробок двофазних контурів теплопереносу з механічним прокачуванням теплоносія для систем забезпечення теплового режиму космічних апаратів з великою енергоозброєністю з початку 80-х рр. дотепер. Розглянуто участь у розробках вчених та інженерів Національного аерокосмічного університету "ХАІ" та Центру технічної фізики (Харків, Україна). Висвітлено основні напрями досліджень, результати розробок та науково-технічні проблеми на шляху практичної реалізації двофазної системи. Незважаючи на великий обсяг виконаних пошукових і дослідно-конструкторських робіт, до недавнього часу не було практично реалізованих проектів космічних апаратів з двофазним контуром теплопереносу великої потужності. Першим потужним стаціонарним супутником з двофазним контуром теплопереносу став супутник SES-17 на платформі NEOSAT компанії Thales Alenia Space-France. Супутник виведено на орбіту 24 жовтня 2021 р. ракетою Ariane-5 з космодрому Куру, Французька Гвіана.

Проаналізовано стан енергетики України та основні тенденції розвитку світового ринку в області переведення потужних енергоблоків ТЕС на супернадкритичні параметри пари. Показано, що енергетика України потребує особливої уваги та впровадження нових сучасних технічних рішень. Світові тенденції говорять про те, що на цей час акценти робляться у напряму підвищення параметрів пари перед турбіною до супернадкритичних. Це надає змогу як підвищити ефективність энергоблоків, так і зменшити теплові викиди, тим самим вирішуючи глобальну екологічну проблему потепління клімату. Реалізація цього підходу пропонується з урахуванням реалій економіки України та наявних технічних можливостей енергомашинобудівної галузі. В роботі наведено результати варіаційних розрахункових досліджень теплової схеми енергоблоку потужністю 300 МВт при переведенні турбіни К-300-23.5 на супернадкритичні параметри пари. Завдання вирішувалося за умови максимального збереження теплової схеми, підвищення ефективності енергоблоку та мінімізації капітальних вкладень при модернізації турбіни. Вибір зупинено на збереженні системи регенерації, циліндрів середнього та низького тиску. Проаналізовано варіанти з доповненням існуючої турбіни циліндром на супернадкритичних параметрах пари та створенням нового циліндра високого тиску за незначних змін його габаритних характеристик. Результати досліджень показали, що найбільш раціональним варіантом модернізації турбоустановки електричною потужністю 300 МВт є створення нового циліндра високого тиску, який розраховано на роботу за супернадкритичних параметрів пари, а також доповнення циліндра середнього тиску новим циліндром з метою збільшення параметрів промперегріву пари при збереженні системи регенерації.

Наведено модель динамічного деформування тришарової циліндричної оболонки зі стільниковим заповнювачем, який виготовлено за допомогою технології FDM, та обшивками, які армовано вуглецевими нанотрубками. Розглянуто стільниковий заповнювач, який виготовлено з термопластику ULTEM 9085. Для аналізу напружено-деформованого стану стільникового заповнювача використовується методика скінченно-елементної гомогенізації. Внаслідок цієї процедури динамічний відклик стільникового заповнювача моделюється однорідним ортотропним матеріалом, механічні властивості якого відповідають властивостям заповнювача. Запропонована модель базується на теорії високого порядку, яку розширено для аналізу сандвіч-конструкцій. Проекції переміщень обшивок оболонки розкладено за поперечною координатою до квадратичних доданків. Проєкції переміщень стільникового заповнювача розкладено за поперечною координатою до кубічних доданків. Для забезпечення цілісності конструкції використано умови безперервності переміщень оболонки на стиках шарів. Лінійні коливання оболонки досліджено за допомогою методу Релея - Рітца. Для його застосування одержано потенційну та кінетичну енергії конструкції. Розглянуто власні частоти та форми коливань циліндричної сандвіч-оболонки, яку затиснено з одного боку. Досліджено залежність форм і частот коливань оболонки від товщини стільникового заповнювача та напряму армування обшивок вуглецевими нанотрубками. Виявлено, що для власних форм сандвіч-оболонки характерною є менша кількість хвиль в окружному напрямку, а також осесиметричні форми, що виникають набагато раніше. З цього випливає, що аналіз резонансних коливань сандвіч-оболонки слід здійснювати з урахуванням осесиметричних форм. Зміна напрямку армування обшивок вуглецевими нанотрубками надає змогу суттєво впливати на власні частоти коливань оболонки, які характеризуються ненульовою кількістю хвиль в окружному напрямку. Встановлено, що цей параметр не впливає на частоти осесиметричних форм розглянутої оболонки.

Стабільність експлуатації парових турбін залежить (поряд з іншими чинниками) від надійної роботи системи паророзподілу, основу якої складають стопорно-регулювальні клапани. В роботі розглянуто питання міцності елементів клапанів парової турбіни К-325-23,5, в корпусі яких після 30 тис. год. експлуатації почали спостерігатись тріщини. Попередньо визначався характер газодинамічних процесів у проточній частині клапанів та температурний стан корпусу клапанів на основних стаціонарних режимах роботи. Для цього розв'язувалась сумісна задача течії пари та теплопровідності в стопорно-регулювальних клапанах у тривимірній постановці за методом скінченних елементів. Розглянуто різне положення елементів клапанів з урахуванням фільтруючого сита. Оцінка термонапруженого стану корпусу клапанів засвідчила, що максимальні напруження на різних режимах роботи не перевищують межі плинності. Тому оцінка повзучості матеріалу корпусу клапанів є важливою для визначення його пошкодження та ресурсу. Моделювання повзучості корпусу стопорно-регулювальних клапанів парової турбіни виконувалось на основі тривимірних моделей з використанням теорії зміцнення. При цьому було враховано складові несталої та усталеної деформації повзучості. Повзучість корпусу визначено за максимальної потужності турбіни для всіх стаціонарних режимів роботи. Максимальні розрахункові значення деформацій повзучості зосереджено в патрубках корпусу перед регулювальними клапанами та у пароприймальній камері, де на практиці спостерігаються втомні дефекти. Проте навіть за 300 тис. год. експлуатації турбіни (з умовною максимальною потужністю) на стаціонарних режимах деформації повзучості не перевищують допустимих значень. Пошкодження і ресурс корпусу клапанів оцінювалися за двома методиками, що створено в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (2011 р.), та в Науково-виробничому об'єднанні з дослідження в проектуванні енергетичного обладнання ім. І. І. Ползунова (НВО ЦКТІ) - 1986 р. Результати оцінки пошкоджуваності і спрацювання ресурсу корпусу клапанів парової турбіни від впливу циклічного навантаження та повзучості турбіни на стаціонарних режимах роботи за 40, 200 та 300 тис. год. свідчать, що умови термоміцності корпусу в області пароприймальної камери не порушуються (без урахування можливих недосконалостей корпусу після виготовлення). Пошкодження в патрубках корпусу клапанів після 300 тис. год. експлуатації перевищують граничне значення з урахуванням коефіцієнтів запасу. При цьому пошкодження від повзучості на стаціонарних режимах роботи складає біля 70 % від сумарного. Максимальні значення пошкодження спостерігаються в зонах корпусу, де мають місце дефекти при експлуатації системи паророзподілу турбіни. Розбіжність результатів за обома методиками по відношенню до їх середнього значення становить ~20 %.

Запропоновано підхід до експериментально-розрахункового дослідження зсувних характеристик стільникових заповнювачів, виготовлених за допомогою моделювання шляхом пошарового наплавлення (FDM), адитивною технологією FDM. В основі експериментального підходу лежить новий вид зразка для випробування стільникових заповнювачів на зсув. Цей зразок містить два стільникових заповнювача і три сталеві пластинки. Випробування на зсув проводяться в універсальній розривній машині TiraTest 2300. Стільникові заповнювачі виготовляються з матеріалів ULTEM 9085 і PLA за допомогою технології FDM, яка реалізується в 3D-системі Fortus 900. В результаті випробувань одержано характеристики зсуву стільникових заповнювачів через усереднення кривих деформування п'яти зразків. Як випливає з аналізу експериментальних результатів, спостерігається крихке руйнування стільникового заповнювача. Перед його руйнуванням величина деформації зсуву для зразків з матеріалу PLA становила 0,0134, а для зразків з матеріалу ULTEM - 0,0257. Експериментальний аналіз супроводжувався числовим скінченно-елементним моделюванням експериментів на зсув з урахуванням деформації оснащення. При скінченно-елементному моделюванні експериментів для опису поведінки зразків необхідно враховувати вплив на вимірювання зсувних характеристик оснащення і деформування кожної комірки стільникових заповнювачів. Враховувалося деформування трьох пластин; пружні властивості клейового з'єднання не враховувалися. Комп'ютерну модель деформування стільників з оснащенням буоа побудовано в ANSYS Design Modeler. При скінченно-елементному моделюванні розглядалася тільки пружна поведінка стільникових заповнювачів.