ИССЛЕДОВАНИЕ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ СТРУКТУР В ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ

INVESTIGATION OF CAPILLARY-POROUS STRUCTURES IN THERMAL POWER PLANTS

Valeria Zelenina

Master's student, department Thermal power plants, Almaty University of Energy and Communications named after G. Daukeeva,

Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

Doctor of Technical Sciences, Professor, department Thermal power plants, Almaty University of Energy and Communications named after G. Daukeeva,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В данной работе была рассмотрена задача исследования капиллярно-пористых структур в тепловых энергоустановках, разработаны схемы экспериментальных установок, направленных на выявление прогнозируемых напряжений при переходных процессах методом голографических интерферограмм и метода скоростной киносъемки, результаты обработаны и занесены в сводную таблицу.

ABSTRACT

In this article the task of studying capillary-porous structures in thermal power plants was considered, schemes of experimental installations aimed at identifying predicted stresses during transients by the method of holographic interferograms and the method of high-speed filming were developed, the results were processed and entered into a summary table.

Ключевые слова: теплообмен, капиллярно-пористая структура, переходный режим, голографическая интерферограмма, метода скоростной киносъемки.

Keywords: heat transfer, capillary-porous structure, transient mode, holographic interferogram, high-speed filming method.

Современный этап развития энергомашиностроения характеризуется стремлением к форсированию процессов теплообмена в турбинах. Это связано не только с желанием получить как можно более высокие параметры пара, но и с ускорением процессов пуска и останова машины, а также надежность ее работы при переменных нагрузках.

В настоящее время имеются фундаментальные исследования в области конвективного теплообмена в турбомашинах (Селезнев К.П., Сафонов Л.П., Зысина, Моложен Л.М., Зысин Л.В., Поляк М.П., Третьяков П.Г., Плоткин Е.Р., Лейзерович А.Ш., Капинос В.М., Мацевитый Ю. М. и другие).

Под переходными режимами работы турбомашин понимаем такие режимы, которые изменяются от 0 до 50% (либо наоборот) от номинальной мощности турбины.

Пуски и остановы турбомашин приводят к существенным изменениям их механического и термического состояний, а также примыкающим к турбинам трубопроводов, клапанов, патрубков. От происходящих при этом изменений зависит эксплуатационная надежность и долговечность, экономичность и способность к маневренности турбин. Анализ аварий ПТУ показывает, что большинство из  них происходит при пусках.

Для обеспечения надежности и маневренности конструкции проектируемых паровых турбин необходимо провести как можно более подробное исследование наиболее напряженных узлов машины. Данная задача требует огромных затрат на экспериментальную реализацию (при проведении экспериментов на реальных энергетических установках).

Поэтому нами была разработана установка, изображенная на рисунке 1, при помощи которой был произведен эксперимент по выявлению прогнозируемых напряжений при переходных процессах при помощи голографических интерферограмм и метода скоростной киносъемки. Преимущество данных методов заключается в том, что голографическая запись исследуемого процесса воспроизводит трехмерную картину, полученную в фиксированный момент времени.

Рисунок 1. Схема стенда для получения голографических интерферограмм

 1-лазер ЛГ-38; 2-светоделительный кубик; 3-светофильтр; 4-диафрагмы;5,8- зеркало; 6-коллиматор;7 – объектив;9-диффузорный экран; 10- плоскость голограммы; 11- охлаждающий элемент; 12- РФК-5м.

Данная установка состоит из лазера, создающего рабочий световой пучок. Светоделительный кубик делит лазерный луч на опорный и сигнальный пучки.

Опорный пучок разворачивается зеркалом 5 и, сформированный коллиматором 6, направляется в плоскость голограммы 10.

Сигнальный пучок расширяется объектом 7 и с помощью зеркала 8 направляется на диффузный экран 9.

Диафрагмами 4 защищают эксперимент от попадания случайных лучей. В опорном пучке устанавливается ступенчатый нейтральный светофильтр 3, позволяющий выбирать необходимое соотношение интенсивностей опорного и сигнального пучков на стадиях регистрации и восстановления голограммы. Изображение проявляется на месте экспонирования. Затем в сигнальный пучок вводится исследуемый элемент 11. Регистрация интерферограмм при различных тепловых режимах производится фотокамерой 12 типа «РФК- 5М».

Рисунок 2. Схема стенда для киносъёмки СКС-1М

1-камера;2-визир;3-штатив;4-объектив;5-плита;6-пористая структура;7-алундова трубка;8-лампа КГ-220-1000-3; 9- артерия; 10- штатив; 11- трубка;12-кронштейн;13-стопорный винт; 14-вода; 15-шкала;16-бак;17-прожектор.

Данный метод основан на свойстве специальных материалов до действия тепловой нагрузки разлагать луч нормально падающего света на две ортогональные составляющие, каждая из которых распространяется через среду своей собственной скоростью. Возникает разность фаз, которая определяется различием в скоростях распространения времени прохождения через образец.

Рисунок 3. Зависимость перемещений по плоскости центров трех тепловых источников (у=0) поверхности образца с большой пористостью q = 4,8 Вт для различного теплового воздействия. I− t =15с; II − t =25с; III − t =30с; угол − 38°55' [1]

Рисунок 4. Зависимость перемещений по плоскости, параллельной плоскости центров тепловых источников (у=6×10-3м), поверхности образца с большой пористостью при q = 4,8 Вт для различного теплового воздействия. I − t =15с; II − t =25с; III − t =30с; угол − 38°55' [1]

Посредством интерференционных картин появляется возможность наблюдать процесс развития термонапряжений в моделях из оптически чувствительных материалов.

Для изучения упругих термонапряжений в канавках ротора и статора применяют метод физического моделирования с помощью поляризационио-оптической системы. В моделях  производится нагрев электрическим током, такие модели позволяют отразить физическую суть процессов, протекающих в реальных блоках, выполненных из различных материалов. Для этого необходимо в заданный момент времени обеспечить подобие температурных полей модели и натуры.

Возникающие термические перегрузки могут привести к неуправляемости процессов и развитию трещин критических размеров. В этом случае все защиты, успешно срабатывающие от механических перегрузок, будут совершенно безнадежны. Здесь на помощь могут прийти капиллярно-пористые системы обогрева (охлаждения), разработанные в [2-3].

Рассмотрим применение капиллярно-пористой системы охлаждения диафрагмы регулирующей ступени турбины, которая подвергается значительным тепло-гидравлическим ударам (термомеханическим напряжениям) на примере расчета зоны испарения и конденсации в [4].

Таблица 1

Результаты расчета

Вывод:

1- Входе выполнения работы была поставлена задача исследования капиллярно-пористых структур в тепловых энергоустановках;

2- Разработаны схемы установок, описанных на рисунках 1,2

3- На данных установках проведен эксперимент, направленный на выявление прогнозируемых напряжений при переходных процессах методом голографических интерферограмм и метода скоростной киносъемки, результаты которого отражены на рисунках 3,4;

4- По результатам эксперимента произведен расчет, подробная методика которого опубликована в [5];

5- Результаты расчета показали целесообразность использования капиллярно-пористых структур при проектировании энергоустановок.

Список литературы:

1. А.А. Генбач. Нагнетатели и тепловые двигатели. Переходные режимы работы турбомашин ТЭС (нестационарный теплообмен в турбомашинах). Конспект лекций по дисциплине для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика.
2. Генбач А.А. К вопросу затяжки крепежа паровых турбин // Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем: Сб. трудов КазПТИ. – Алма-Ата. – 1977. – с. 51-55
3. Генбач А.А. Турбины ТЭС и АЭС. Теория и конструкция турбомашин. Методические указания к семестровым заданиям. – Алматы: АИЭС, 1998. – 33с.
4. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 3, с. 89–106. DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-89-106.
5. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю.,Зеленина В.Н. Решение проблемы охлаждения первой ступени паровой турбины, работающей на суперсверхкритических параметрах пара. Научный журнал Студенческий №2(172),2022, №4, с.19-24.
6. Сафонов Л.П., Селезнев К II., Коваленко А Н. Тепловое состояние высокоманевренных паровых турбин. – Л.: Машиностроение, 1983. – 295с.
7. Плоткин Е.Р., Лейзерович А.Ш. Пусковые режимы паровых турбин энергоблоков. – М.: Энергия, 1980. –192 с.
8. Зысина-Моложен Л.М., Зысин Л.В., Поляк М П. Теплообмен в турбомашинах. – Л.: Машиностроение, 1974. – 350 с.
9. Капелович Б.Э. Эксплуатация паротурбинных установок. –М.: Энергия, 1975. – 288 с.
10. Аркадьев Б.А. Охлаждение паровых турбин. ISSN 2078-774X. Вісник НТУ «ХПІ». 2015. № 15(1124)
11. Аркадьев Б.А. Проектирование систем охлаждения многоступенчатых турбин // Энергетическое машиностроение. 1967. Вып. 36712. С. 31–34. [НИИИнформтяжмаш.].