1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 5, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 5, стр. 57-73

Опыт применения систем лазерной диагностики при экспериментальном исследовании влажно-паровых потоков в проточной части турбомашин: основные результаты исследований, пути развития систем

В. А. Тищенко a, А. А. Тищенко a, *, В. Г. Грибин a, В. В. Попов a, **, И. Ю. Гаврилов a, К. А. Бердюгин a, Д. Г. Соколов a

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: TishchenkoAA@mpei.ru
** E-mail: PopovVitV@mpei.ru

Поступила в редакцию 09.11.2023
После доработки 27.11.2023
Принята к публикации 29.11.2023

Аннотация

Представлен обзор результатов применения систем лазерной диагностики для исследования течения влажного пара в элементах проточных частей паровых турбин, в частности в каналах различной конструкции. Накопленные за более чем десятилетний период результаты экспериментов позволили обобщить и сформулировать основные особенности движения крупной эрозионно-опасной влаги за турбинными решетками и в межлопаточных каналах. С помощью данных визуального анализа выделены области, в которых присутствуют частицы жидкой фазы. Приведены результаты применения методов PIV/PTV (particle image velocimetry/particle tracking velocity), реализующих алгоритмы определения векторных полей скоростей частиц. Рассмотрены особенности распределения кинематических характеристик жидкой фазы в различных областях турбинных решеток, от которых зависит интенсивность эрозионного износа. Представлены данные о влиянии профиля лопатки на формирование траекторий потоков капель, предложены пути повышения сепарационной способности лопатки, работающей в условиях влажно-паровых потоков. С помощью экспериментальной базы о полях скоростей жидкой фазы в турбинных каналах различной конфигурации сформулирована полуэмпирическая модель поведения крупных эрозионно-опасных капель, описывающая их движение в спутном паровом потоке и процессы взаимодействия со стенками межлопаточных каналов. Представлен обзор технических решений, которые были получены на основе теоретических и экспериментальных исследований влажно-паровых потоков с использованием систем лазерной диагностики. Рассмотрена концепция обогрева поверхностей лопаток и выдува струи греющего пара и оптимизации системы внутриканальной сепарации. Сформулированы принципы развития подходов, основанных на системах лазерной диагностики потоков, в области применения нейронных сетей, которые должны существенно расширить возможности экспериментальных исследований, поскольку потенциально могут увеличить объем данных, получаемых при реализации подобных экспериментальных методов.

Ключевые слова: паровые турбины, турбинная решетка, влажный пар, эрозионно-опасная влага, газодинамика двухфазных сред, ступень турбины, нейронные сети, траектории капель, спутный паровой поток

Список литературы

  1. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1987.

  2. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981.

  3. Дейч М.Е. Газодинамика решеток турбомашин. М.: Энергоатомиздат, 1996.

  4. Филиппов Г.А., Поваров О.А., Пряхин В.В. Исследование и расчеты турбин влажного пара. М.: Энергия, 1973.

  5. Филиппов Г.А., Поваров О.А. Сепарация влаги в турбинах АЭС. М.: Энергия, 1980.

  6. Влияние влажности на экономичность паровых турбин / Г.А. Филиппов, В.Г. Грибин, А.А. Тищенко, А.С. Лисянский // Изв. РАН. Энергетика. 2012. № 6. С. 96–107.

  7. Young J.B., Yau K.K., Walters P.T. Fog droplet deposition and coarse water formation in low-pressure steam turbines: A combined experimental and theoretical analysis // J. Turbomach. 1988. V. 110. No. 2. P. 163–172. https://doi.org/10.1115/1.3262176

  8. Филиппов Г.А., Салтанов Г.А., Игнатьевский Е.А. Анализ конденсации пересыщенного пара в турбинных ступенях // Теплоэнергетика. 1970. № 12. С. 22–26.

  9. Кирюхин В.И. Исследование структуры влажного пара в многоступенчатой турбине // Теплоэнергетика. 1975. № 5. С. 23–25.

  10. Tishchenko V., Alekseev R. Numerical modeling of the mechanism of coarse droplets deposition on surfaces of a steam turbine nozzle blade cascade // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1128. P. 012137. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012137

  11. Experimental studies of polydispersed wet steam flows in a turbine blade cascade / G. Filippov, V. Gribin, A. Tishchenko, I. Gavrilov // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A: J. Power Energy. 2014. V. 228. No. 2. P. 168–177. https://doi.org/10.1177/0957650913518768

  12. Тищенко В.А. Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно-парового потока в элементах проточных частей турбомашин: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2014.

  13. Гаврилов И.Ю. Определение влияния начального состояния пара на волновую структуру и параметры двухфазного потока в сопловой турбинной решетке: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2014.

  14. Features of liquid phase movement in the inter-blade channel of nozzle blade cascade / V. Gribin, I. Gavrilov, A. Tishchenko, V. Tishchenko, V. Popov, S. Khomyakov, R. Alexeev // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A: J. Power Energy. 2018. V. 232. Is. 5. P. 452‒460. https://doi.org/10.1177/0957650917730947

  15. Controlling the coarse droplets streams by blade profile shape modification in the last stages of steam turbines / V. Tishchenko, R. Alexeev, I. Gavrilov, V. Gribin, A. Tishchenko // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 899. No. 3. P. 032022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/899/3/032022

  16. Moore M.J., Sieverdin C.H. Two-phase steam flow in turbines and separators. Washington, USA: Hemisphere Publishing Corporation, 1976.

  17. Petr V., Kolovratnik M. Wet steam energy loss and related Baumann rule in low pressure steam turbines // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A: J. Power Energy. 2014. V. 228. No. 2. P. 206–215.https://doi.org/10.1177/0957650913512314

  18. Дробление пленок влаги на сходе с кромок сопловых лопаток паровых турбин / И.И. Кириллов, И.П. Фаддеев, В.Н. Амелюшкин, А.Л. Шубенко // ИФЖ. 1968. Т. 15. № 1. С. 85–90.

  19. Application of PTV method for investigation of polydisperse wet steam flow / R.A. Alekseev, V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, V.A. Tishchenko, V.V. Popov // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1128. No. 1. P. 012093. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012093

  20. Experimental study of the features of the motion of liquid-phase particles in the interblade channel of the nozzle array of a steam turbine / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, V.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, I.Yu. Sorokin, R.A. Alekseev // Power Technol. Eng. 2017. V. 51. No. 7. P. 1–7. https://doi.org/10.1007/s10749-017-0788-x

  21. Ахметбеков Е.К., Бильский А.В., Ложкин Ю.А. Система управления экспериментом и обработки данных, полученных методами цифровой трассерной визуализации (ActualFlow) // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т. 7. № 3. P. 79–85.

  22. Optimization of stator blade profile design for last stages of steam turbines based on the features of coarse droplets movement in inter-blade channels / R.A. Alekseev, V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, V.A. Tishchenko, V.V. Popov // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1359. P. 012137. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1359/1/012038

  23. Методика бесконтактного определения средних размеров эрозионно-опасных капель в полидисперсном влажно-паровом потоке / И.Ю. Гаврилов, В.В. Попов, И.Ю. Сорокин, В.А. Тищенко, С.В. Хомяков // Теплоэнергетика. 2014. № 8. С. 39–46. https://doi.org/10.1134/S0040363614080074

  24. Попов В.В. Результаты расчетно-экспериментального исследования влияния сепарации на характеристики жидкой фазы за сопловой турбинной решёткой: дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2017.

  25. Применение параметрического метода для профилирования межлопаточных каналов сопловых решеток осевых турбомашин / В.Г. Грибин, А.А. Тищенко, Р.А. Алексеев, В.А. Тищенко, И.Ю. Гаврилов, В.В. Попов // Теплоэнергетика. 2020. № 8. С. 50–57. https://doi.org/10.1134/S0040363620080020

  26. Тищенко В.А., Алексеев Р.А., Гаврилов И.Ю. Модель движения эрозионно-опасных капель в межлопаточных каналах паровых турбин // Теплоэнергетика. 2018. № 12. С. 35–44. https://doi.org/10.1134/S004036361812010X

  27. Тищенко В.А., Алексеев Р.А. Численное моделирование процессов образования и движения водяной пленки и эрозионно-опасных капель в проточных частях паровых турбин // Теплоэнергетика. 2019. № 11. С. 72–81. https://doi.org/10.1134/S0040363619110055

  28. Experimental studies of liquid film suction from turbine stator blade surface in wet steam flow / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, S.V. Khomyakov, V.V. Popov, V.A. Tishchenko, I.Yu. Sorokin // Proc. of the 11th European Conf. on Turbomachinery, Fluid Dynamics and Thermodynamics: ETC 11. Madrid, Spain, 23–27 March 2015. P. 1–10.

  29. Experimental study of the efficiency of steam injection on wet-steam turbine stator blade cascade / S.V. Khomyakov, R.A. Alekseev, I.Y. Gavrilov, V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, V.A. Tishchenko, V.V. Popov // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 891. No. 1. P. 012256. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012256

  30. Experimental study of intrachannel separation in a flat nozzle turbine blade assembly with wet stream flow / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, V.V. Popov, I.Yu. Sorokin, V.A. Tishchenko, S.V. Khomyakov // Power Technol. Eng. 2016. V. 50. No. 2. P. 180–187. https://doi.org/10.1007/s10749-016-0680-0

  31. An experimental study of the integral characteristics of the intrachannel liquid film suction in a turbine stator blades cascade / V.G. Gribin, V.A. Tishchenko, V.V. Popov, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, R.A. Alekseev // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1675. No. 1. P. 012028. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012028

  32. Моделирование потоков влажного пара в сопловой турбинной решетке / В.Г. Грибин, А.А. Тищенко, И.Ю. Гаврилов, В.А. Тищенко, В.В. Попов, Р.А. Алексеев // Вестник МЭИ. 2018. № 3. С. 8–20.

  33. Results of the international wet steam modeling project / J. Starzmann, F.R. Hughes, S. Schuster, A.J. White // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A: J. Power Energy. 2018. V. 232. No. 5. P. 550–570.https://doi.org/10.1177/0957650918758779

  34. Влияние режимных параметров паротурбинной установки на характер распределения потоков частиц жидкой фазы за изолированной сопловой решеткой во влажно-паровом потоке / В.Г. Грибин, А.А. Тищенко, И.Ю. Гаврилов, В.А. Тищенко, И.Ю. Сорокин, В.В. Попов, С.В. Хомяков // Промышленная энергетика. 2015. № 11. С. 30–36.

  35. Performance of a wet-steam turbine stator blade with heating steam injection / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, S.V. Khomyakov, I.Yu. Gavrilov, V.A. Tishchenko, V.V. Popov, I.Yu. Sorokin, R.A. Alekseev // Proc. of the 12th European Conf. on Turbomachinery, Fluid Dynamics and Thermodynamics: ETC 12. Stockholm, Sweden, 3–7 April 2017. P. 1–11. https://doi.org/10.29008/ETC2017-312

  36. Влияние вдува пара на характеристики сопловой решетки, работающей в условиях влажно-парового потока / Г.А. Филиппов, В.Г. Грибин, А.А. Тищенко, И.Ю. Гаврилов, В.А. Тищенко, С.В. Хомяков, В.В. Попов, И.Ю. Сорокин // Теплоэнергетика. 2016. № 4. С. 3–8. https://doi.org/10.1134/S0040363616040020

  37. An experimental study of influence of the steam injection on the profile surface on the turbine nozzle cascade performance / V. Gribin, A. Tishchenko, A. Lisyansky, A. Nekrasov // Proc. of ASME Turbo Expo. Düsseldorf, Germany, 16–20 June 2014. V. 1B.https://doi.org/10.1115/GT2014-27118

  38. Numerical simulation of the liquid film suction process through the slots of various geometry in the last stages of steam turbines / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, R.A. Alekseev, I.Yu. Gavrilov, V.V. Popov, V.A. Tishchenko // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1683. No. 1. P. 022068. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/2/022068

  39. The main flow parameters characterising the liquid film suction process on the blade surface in a steam turbine / V.G. Gribin, V.A. Tishchenko, V.V. Popov, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, R.A. Alekseev // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1675. No. 1. P. 012029. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1675/1/012029

  40. Application of numerical modelling for determining the optimal position of the suction slot in the steam turbine vane cascade / V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, R.A. Alekseev, I.Yu. Gavrilov, V.V. Popov, V.A. Tishchenko // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1683. No. 1. P. 022067. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/2/022067

  41. Investigation of the influence of intra-channel liquid film suction on the structure of the droplet flow downstream a stator blades cascade of a steam turbine / R.A. Alekseev, V.G. Gribin, A.A. Tishchenko, I.Yu. Gavrilov, V.A. Tishchenko, V.V. Popov // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1359. No. 1. P. 012024. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1359/1/012024

  42. DeepPTV: particle tracking velocimetry for complex flow motion via deep neural networks / Jiaming Liang, Shengze Cai, Chao Xu, Tehuan Chen, Jian Chu // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2022. V. 71. P. 1–16. https://doi.org/10.1109/tim.2021.3120127

  43. Particle identification in particle tracking velocimetry using two-stage neural networks / Jiaming Liang, Xiaoqi Liu1, Tehuan Chen, Changchun Pan, Chao Xu // J. Ind. Manage. Optim. 2023. V. 19. No. 7. P. 5331–5352. https://doi.org/10.3934/jimo.2022175

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал