Комп’ютерне моделювання температурних та міцнісних характеристик ротору ультрасуперкритичної парової турбіни петельного типу
DOI:
https://doi.org/10.26565/2304-6201-2024-64-09Ключові слова:
математичне моделювання, метод скінченних елементів, парова турбіна, міцність лопаток, охолодження лопатокАнотація
Актуальність. У світі з’явилась тенденція, пов’язана з постійним зростанням вимог до ефективності та надійності енергетичного обладнання, зокрема ультрасуперкритичних парових турбін. Такі турбіни працюють у складних умовах високих температур і тисків, що може викликати значні термомеханічні напруження у роторі. Комп’ютерне моделювання ідеально підходить для розв’язку подібних задач. Тому є актуальним дослідження, присвячено розрахункам на міцність та визначення температурних характеристик лопаток у циліндрах високого та середнього тиску. За допомогою даних задач інженери можуть гарантувати міцність та довговічність вузлів у парових турбінах.
Мета. Провести розрахунки на міцність та розподіл температури лопаток для циліндрів високого та середнього тиску парової турбіни петельного типу із ультра-суперкритичними початковими параметрами пари.
Результати. Були отримані дані по розподіленню температурних полів у лопатках ротора циліндру високого та середнього тиску. Використовуючи результати температурного розрахунку, було отримано оцінку міцності лопаток першого ротору циліндру високого тиску під впливом нерівномірності розподілу температури і обертання ротору. Охолодження лопаток першого ступеня турбіни досягається завдяки конвективному теплообміну від потоку холодної пари з останнього ступеня до внутрішніх каналів лопаток.
Висновки. За результатами зроблено висновок, про ефективність обраного способу охолодження лопаток та рівень максимальних напружень всередині лопаток. Однією з особливостей умов роботи лопаток турбіни петельного типу є нерівномірне нагрівання, яке відбувається як у перехідних, так і у стаціонарних режимах роботи лопаток. Нерівномірне нагрівання призводить до виникнення температурних напружень в лопатках, що негативно впливає на їхній ресурс. Крім того, висока температура пари з ультра-суперкритичними параметрами може значно знизити міцнісні властивості матеріалу.
Посилання
Nicholas T.E.W., Scobie J.A., Lock G.D., Tang H. A Model of Mass and Heat Transfer for Disc Temperature Prediction in Open Compressor Cavities (2024) Journal of Turbomachinery, 146 (4), art. no. 041001, DOI: 10.1115/1.4064082
Babazadeh M.A., Babaelahi M., Saadatfar M. New optimum configuration for the FGM rotating disc in gas turbines using combined thermal-mechanical analysis: An analytical approach (2024) Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 238 (7), pp. 3038 - 3051, DOI: 10.1177/09544062231195447
Sierikova O., Strelnikova E., Degtyariov K. Numerical Simulation of Strength and Aerodynamic Characteristics of Small Wind Turbine Blades (2023) Lecture Notes in Networks and Systems, 657 LNNS, pp. 357 - 370. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-36201-9_31
Ghoreishi S.M.N., Mehri Khansari N. Mode (I, II, III) Stress Intensity Factors of Composite-Coated Gas Turbine Blade Using Semi-Elliptical Crack (2023) Iranian Journal of Science and Technology - Transactions of Mechanical Engineering, 47 (4), pp. 1841-1857, DOI: 10.1007/s40997-023-00592-7
Hu P., Meng Q., Fan W., Gu W., Wan J., Li Q. Vibration characteristics and life prediction of last stage blade in steam turbine Based on wet steam model (2024) Engineering Failure Analysis, 159, art. no. 108127, DOI: 10.1016/j.engfailanal.2024.108127
Strelnikova O., Gnitko V., Degtyariov K., Tonkonozhenko A. Advanced computational models and software on predicting the effective elastic properties for computer-simulated structures of nanocomposite, (2020) 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology, KhPI Week 2020 - Conference Proceedings, art. no. 9250093, pp. 171 - 176. https://ieeexplore.ieee.org/document/9250093
Zachary, J. "Steam Turbine Design Considerations for Ultrasupercritical Cycles." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air. Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C. Glasgow, UK. June 14–18, 2010. pp. 2171-2179. ASME. https://doi.org/10.1115/GT2010-22317
Wojciech Kosman. The influence of external cooling system on the performance of supercritical steam turbine cycles. archives of thermodynamics Vol. 31(2010), No. 3, 131–144 DOI: 10.2478/v10173-010-0019-4
Bohn, D., & Kusterer, K. (2005). Turbulent and conjugate heat transfer simulation for gas turbine application. Modelling and Simulation of Turbulent Heat Transfer, 16, 247-313. doi:10.2495/978-1-85312-956-8/08
Bohn, D, Ren, J, & Kusterer, K. "Cooling Performance of the Steam-Cooled Vane in a Steam Turbine Cascade." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air. Volume 3: Turbo Expo 2005, Parts A and B. Reno, Nevada, USA. June 6–9, 2005. pp. 217-226. ASME. https://doi.org/10.1115/GT2005-68148
Wojciech Kosman, Thermal analysis of cooled supercritical steam turbine components, Energy, Volume 35, Issue 2, 2010, Pages 1181-1187, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.05.033.
Grzegorz Nowak, Włodzimierz Wróblewski, Iwona Nowak, Convective cooling optimization of a blade for a supercritical steam turbine, International Journal of eat and Mass Transfer, Volume 55, Issues 17–18, 2012, Pages 4511-4520, ISSN 0017-9310, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.03.072
Włodzimierz Wróblewski, Numerical evaluation of the blade cooling for the supercritical steam turbine, Applied Thermal Engineering, Volume 51, Issues 1–2, 2013, Pages 953-962, ISSN 1359-4311, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.10.048.
ANSYS Mechanical APDL Fluids Theory Guide. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2019. – 914 p. https://www.academia.edu/33546434/ANSYS_Mechanical_APDL_Fluids_Analysis_Guide
ANSYS Fluent Theory Guide. – Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2019. – 988 p. https://dl.cfdexperts.net/cfd_resources/Ansys_Documentation/Fluent/Ansys_Fluent_Theory_Guide.pdf
Menter F. R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications / F. R. Menter // AIAA J. – 1994. – 32, № 11. – P. 1299–1310.
Peng D.-Y. A New Two-Constant Equation of State / D.-Y. Peng, D. B. Robinson // Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. – 1976. – 15 (1). – P. 59-64. DOI: 10.1021/i160057a011
Vo D.-T., Mai T.-D., Kim B., Jung J.-S., Ryu J. Numerical investigation of crack initiation in high-pressure gas turbine blade subjected to thermal-fluid-mechanical low-cycle fatigue (2023) International Journal of Heat and Mass Transfer, 202, art. no. 123748, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123748
Rusanov A.V., Rusanov R.A., Dehtyarʹov K.H., Palʹkov S.A., Palʹkov I.A., Kryutchenko D.V., Protochna chastyna parovoyi turbiny petlʹovoho typu dlya roboty na ulʹtra-superkrytychnykh pochatkovykh parametrakh pary, № 156077, MPK: F01D25/30, 08.05.2024, byul. № 19/2024.https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1798427/
Rusanov A.V., Rusanov R.A., Degtyar'ov K.G., Pal'kov S.A., Pal'kov Í.A., Kryutchenko D.V., Bikov YU.A., Sistema okholodzhennya lopatok rotora turbíni petl'ovogo tipu, № 156085, F01D5/18, 08.05.2024, byul. № 19/2024. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1798401/
Solovey, V., Zipunnikov, M., Rusanov, R. Increasing the manoeuvrability of power units of the thermal power plants due to applying the hydrogen-oxygen systems. JPhys Energy. 2023. Vol. 5. 014012, doi 10.1088/2515-7655/aca9ff
Strelnikova, E., Kriutchenko, D., Gnitko, V., Degtyarev, K.: Boundary element method in nonlinear sloshing analysis for shells of revolution under longitudinal excitations, Engineering Analysis with Boundary Elements, 111, 2020, 78-87, https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2019.10.008.
