АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1 АКТУАЛЬНОСТЬ CFD МОДЕЛИРОВАНИЯ ТУРБОМАШИН 6
2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 8
3 СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И
ЗАРУБЕЖНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН 9
4 ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ
ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ К-200-130 ЛМЗ 14
5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦСД ПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ К-200-130 16
5.1 Тепловой расчет ступени №20 16
5.2 Определение КПД и мощности ступени №20 19
5.3 Закрутка лопатки по закону постоянной циркуляции 22
5.3.1 Расчет корневого сечения 24
5.3.2 Расчет периферийного сечения 26
5.4 Выбор профилей лопаток 28
5.4.1 Сопловые лопатки 29
5.4.2 Рабочие лопатки 30
6 CFD МОДЕЛИРОВАНИЕ СТУПЕНИ ПАРОВОЙ ТУРБНЫ В ANSYS 33
6.1 Создание геометрии ступени №20 ЦСД турбины К-200-130 35
6.1.1 Создание геометрии сопловой и рабочей лопатки 36
6.1.2 Создание геометрии проточной части 37
6.1.3 Задание зазора на периферийном сечении рабочей лопатки 39
6.2 Создание сеточной модели 40
6.2.1 Оптимизация качества сетки 41
6.2.2 Анализ качества сетки 43
6.3 CFD модель в ANSYS CFX 44
6.4 Результаты CFD моделирования и анализ решения 49
6.5 Обновление геометрии и анализ решения 58
7 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 60
7.1 Энергосбережение в турбомашиностроении 60
7.2 Расчет концевых уплотнений 61
8 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 649 АВТОМАТИЗАЦИЯ 66
9.1 Системы защиты ПТУ 66
9.2 Защита турбины от увеличения числа оборотов 67
10 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 70
10.1 Травмоопасность обслуживания ПТУ 71
10.2 Электробезопасность 71
10. 3 Пожаровзрывобезопасность 73
11 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А. - Отчет ANSYS для осевой турбомашины до оптимизации 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. - Отчет ANSYS для осевой турбомашины после оптимизации 102
В настоящее время все большее число расчётов аэродинамического и теплового состояния лопаток осевых турбомашин осуществляется с использованием современных компьютерных технологий CFD (Computational Fluid Dynamic) моделирования [7, 8, 10, 12]. Компания ANSYS, Inc занимает лидирующие позиции на рынке программного обеспечения для турбомашиностроительной отрасли, которая предъявляет самые высокие требования к программному обеспечению с точки зрения точности, надежности и скорости проведения расчетов. Более чем двадцатилетний опыт использования ANSYS CFD в моделировании течения в турбомашинах доказал его удобство, надежность и точность при расчете всех типов насосов, вентиляторов, компрессоров, газовых, паровых и гидравлических турбин [5].
В проектировании ПТУ существуют следующие основные проблемы, связанные с потерями энергии в результате несовершенной конструкции проточной части турбины:
1. Потери, возникающие при течении пара в сопловых и рабочих лопатках
2. Потери, возникающие с выходной скоростью из установки
3. Потери, возникающие в результате протечек пара мимо сопловых и рабочих лопаток
Актуальность решения данных проблем отечественными и зарубежными фирмами детально рассмотрено в выпускной работе. На основании проделанного анализа объектом исследования была принята ступень №20 ЦСД турбины К-200-130 ЛМЗ.
Конечной целью ВКР является расчет повышения экономичности паротурбинной установки (ПТУ) К-200-130 ЛМЗ. Повышение экономичности достигаются путем исследования методов CFD моделирования для решения проблемы совершенствования геометрии сопловых и рабочих решеток, моделирование течения пара в них.
Для достижения целей выпускной работы решаются следующие задачи:
1. Проектирование ступени №20 ЦСД и получение 3D геометрии сопловой ирабочей лопатки.
2. Проектирование геометрии проточной части
3. Создание и анализ качества сетки
4. Определение граничных условий и параметров в них
5. Моделирование течения в ANSYS CFX
6. Определение экономического эффекта
Так же в работе уделено внимание проблемам экологии, безопасности труда при эксплуатации ПТУ, разработана функциональная схема защиты турбины от превышения частоты вращения, рассчитана экономическая эффективность проекта, предложены управленческие решения для его реализации.
В выпускной работе магистра было рассмотрено применение методов CFD моделирования для анализа течения пара в 20 ступени ЦСД турбины К-200-130 ЛМЗ.
Детально описана последовательность CFD моделирования в программном обеспечении ANSYS:
1. Выполнено проектирование и построение сопловой и рабочей лопатки в ПО SolidWorks;
2. Создание геометрии ступени и проточной части в ANSYS DesignModeler с использованием инструментов BladeEditor;
3. Выполнено автоматическое построение сетки в ANSYS TurboGrid и произведен анализ качества сетки;
4. Задание граничных условий и параметров в ANSYS CFX;
5. Решение с выбранной моделью турбулентности к — ш S S Т;
6. Получение рисунков, графиков и формирование стандартных отчетов в ANSYS CFX;
7. Анализ полученных результатов с экспериментальными данными и анализ преимуществ CFD моделирования.
На основании полученных данных была рассчитана экономическая эффективность проекта, предложены управленческие решения для его реализации
