К вопросу о создании оптимальной последней ступени мощных паровых турбин АЭС

ЦЕЛЬ. Оценить наиболее эффективную длину рабочей лопатки последней ступени мощной влажнопаровой турбины с точки зрения получения ее максимального КПД и оптимизировать параметры этой ступени на расчетном режиме. Для этой ступени провести многорежимную оптимизацию для выбора основных характеристик ступени, работающей с максимальным КПД по заданному модельному суточному графику нагрузок.

МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи применялся метод расчета осесимметричного течения пара в проточной части турбинной ступени как невязкого однофазного рабочего тела относительно неподвижного направляющего аппарата и вращающегося с угловой скоростью  рабочего колеса, а потери энергии рассчитывались по полуэмпирической методике МЭИ.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы, рассмотрены особенности применения авторского программного обеспечения при решении поставленных задач. Представлены характеристики ступеней с различной длиной рабочих лопаток и даны результаты их расчета на номинальном режиме. Выбран модельный суточный график для турбины АЭС, работающей в центральном регионе России. Представлены результаты расчетов переменных режимов последней ступени турбины, работающей по данному суточному графику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выбор предельной длины рабочей лопатки ограничен не только ее прочностными характеристиками, но и ростом волновых потерь в решетках из-за увеличения, оптимального располагаемого теплоперепада, а точнее связанного с этим повышения сверхзвуковых скоростей вблизи меридиональных обводов. Так для быстроходной турбины К-1200-6,8/50 максимальная экономичность последней ступени достигается при длине 1400 мм как при компоновке турбины как с тремя двухпоточными ЦНД, так и с четырьмя. Выбор основных характеристик этих ступеней, таких как располагаемый теплоперепад, степень реактивности и др. должен делаться с учетом переменных режимов работы турбины на основе прогноза суточных графиков нагрузок турбоагрегатов. При использовании типового суточного графика нагрузки усредненный внутренний относительный КПД в диапазоне режимов работы по этому графику выше на 0,6 % при выборе увеличенного на 10% располагаемого теплоперепада по сравнению с оптимальным на расчетном режиме.

1. Lampart P., Yershov S. Direct Constrained Computational Fluid Dynamics Based Optimization of Three-Dimensional Blading for the Exit Stage of a Large Power Steam Turbine // Transactions of the ASME. Journal Engineering for Gas Turbines and Power. 2003. V. 125, No 1. P. 385–390.

2. Torre A., Cecchi S. Latest Developments and Perspectives in the Optimised Design of LP Steam Turbines at ANSALDO // 7th European Conference on Turbomashinary Fluid Dynamics and Thermodynamics, Athens, Greece. 2007. P. 19–40.

3. Zimmermann T.W., Curkovic O., Wirsum M., Fowler A., Patel K. Comparison of 2D and 3D Airfoils in Combination with non axisymmetric End Wall Contouring// Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016 June 13 – 17, 2016, Seoul, South Korea. GT2016-56494.

4. Дейч М.Е. Газодинамика решеток турбомашин. М.: Энергоатомиздат. 1996. 527 с. 5. Xiaodi Wu, Fu Chen, Yunfei Wang. The Effects of Periodic Wakes on Boundary Layer Separation of Low-Pressure Turbine Using Large Eddy Simulation. Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016 June 13 – 17, 2016, Seoul, South Korea. GT2016-57205.

5. Панов С. АЭС научат маневрировать // Атомный эксперт. 2016 № 9 (51). С. 26-29/

6. Баклушин Р.П. Эксплуатация АЭС. Работа АЭС в энергосистемах. Обращение с радиоактивными отходами. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. 304 с.

7. Атомное строительство: электрон. журн. 2019. URL: https://docplayer.ru (дата обращения 10.09.2019).

8. Бахтеева Н.З., Галимзянов Л.А., Шацких З.В. Конкурентный оптовый рынок электроэнергии и мощности: состояние и новые вызовы// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 5-6. С. 87-95.

9. Аминов Р.З., Гариевский М.В. Эффективность работы парогазовых ТЭЦ при переменнных электрических нагрузках с учетом износа оборудования// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20, № 7-8. С. 10-22.

10. Бажанов В.В., Лощаков И.И., Щуклинов А.П.К вопросу участия АЭС в регулировании частоты тока и мощности энергосистемы// Глобальная ядерная безопасность. 2012. № 2-3. С.104-107.

11. Хрусталев В.А., Гариевский М.В., Ростунцова И.А., Портянкин А.В. О возможности участия АЭС с ВВЭР в противоаварийном частотном регулировании в энергосистемах// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21, № 3. С. 99-108.

12. Богомолова Т.В., Мельников О.В. Применение ANSYS-FLUENT для прочностных расчетов рабочих лопаток последних ступеней турбин // Труды МАИ. 2013. Вып. 66. С. 1-10.

13. Богомолова Т.В., Мельников О.В. Сравнение последних ступеней тихоходных и быстроходных турбин большой мощности для АЭС // Вестник МЭИ. 2013. № 2. С 5-10.

14. Богомолова Т.В., Калинина Л.А. Расчет потерь энергии в турбинной ступени большой веерности // Вестник МЭИ. 2005. № 4. С 11-17. 16. Mimic D., Jatz Ch., Herbst F. Correlation between total Pressure Losses of highly loaded annular Diffusers and integral Stage design Parametrs// Proceedings of Shanghai - 2017: Global Power and Propulsion Forum. 2017. GPPS-2017-0063.