CC BY
38
УДК 629.735
А.С. Колядюк1, Н.Г. Шульженко1, И.Н. Бабаев2
1 Институт проблем машиностроения А.Н.Подгорного НАНУкраины,
2 ОАО «Турбоатом»
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПАРА В РЕГУЛИРОВОЧНОМ КЛАПАНЕ ТУРБИНЫ
Приводятся результаты численного моделирования процессов течения пара в регулировочном клапане паровой турбины на стационарном режиме работы. Рассматривается совместная задача турбулентного течения пара и теплопроводности в корпусе клапана. Для численного решения используется программный комплекс ANSYS/CFX. Процессы турбулентности моделируются полуэмпирической моделью Ментера. Определяются линии тока пара по проточной части, температура корпуса и давление на его стенках. Устанавливаются области отрыва потока и завихрений, особенности его протекания через паровое сито. Результаты приводятся в виде рисунков.
Ключевык слова: расчет, течение пара, регулировочный клапан, турбина.
Введение и постановка задачи
Регулировочный клапан предназначен для перекрытия и регулирования поступления пара в турбину. Он представляет систему трех клапанов, выполненных в одном корпусе: стопорного и двух регулировочных.
Рис. 1. Модель регулировочного клапана
Вопросы надежности таких клапанов имеют важное практическое значение. Основным признаком непригодности клапанов является образование трещин в корпусе. Для решения вопросов их надежности необходимо решение задачи термопрочности с использованием граничных
условий теплообмена и нагружения их поверхности. Этим обуславливается необходимость моделирования процессов течения в проточной части при известных давлений и температуре пара на входе в клапан. При этом важно учесть основные конструктивные особенности клапана, в том числе и порожденные наличием парового сита. Последнее представляет собой цилиндрическую обечайку с отверстиями для фильтрации пара.
Рассматривался стационарный режим, при котором стопорный клапан открыт полностью, давление пара на входе 23,2207 МПа и температура 540 °С. При этом регулировочный клапан РК1 считается открытым на 40.2 см, давление за РК1 22.798 МПа, регулировочный клапан РК3 открыт на 34.6см, давление за РК3 22.7998 МПа. На рис. 1 показана расчетная модель клапана в сборе с обозначением зон входа и выхода пара.
Рассматриваемая задача решалась с помощью программного комплекса ANSYS/CFX, позволяющего моделировать геометрические особенности проточной части клапана. При построении модели отдельные детали представлялись собранными в единую конструкцию. Конечноэлемент-ная сетка представляется 33255067 элементами и 9037614 узлами с пятью ячейками в пограничном слое.
Описание математической модели
Использовалась математическая модель потока пара, реализованная в программном комплексе ANSYS/CFX[1]. В ее основе лежат осред-ненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса движения вязкой несжимаемой жидкости с учетом теплопередачи. Они представляются уравнениями неразрывности, изменения количества движения и уравнением полной энергии
© А.С. Колядюк, Н.Г. Шульженко, И.Н. Бабаев, 2011 - 106 -
ЁТ + (ри.) = о дг дх, 1 ;
дри д
дг ¥дх-
- д
дх1 ндх1
(рии- У
те//
-- +--
дХ , дХ:
У '
^-д-риъ) =
дг дг (ЯЧТ) + Ч- (и -т),
где 1 - время;
Р - плотность жидкости; р - давление; Т - температура;
Ui, и - - составляющие скорости; ЛеТ - эффективная вязкость;
Лт = т + л;
Л , т - коэффициенты динамической и турбулентной вязкости;
р' - модифицированное давление;
р = р + 3 рк + - те//
ди„
дх„
д( Рк ^ (риук ) =
дг
у
дх,
.Л
а
дк
к 3 0дху
- р рка + Рк;
дАН+^( ри ,а) =
дг дх А 1 '
дх
з
Л
да
>ю3 )дх1
+ 2 (1 -1\) р
1 дк да а п _ 2
+ аз~т Рк - р-ра , к
аа2а дх1 дх -
дик
дх - дивергенция скорости;
к - кинетическая энергия турбулентности;
ит - скорость;
кш - полная энтальпия;
ср - теплоемкость при постоянном объеме;
Я - теплопроводность.
Для моделирования процессов турбулентности и описания пограничного слоя на поверхности корпуса применяется (одна из используемых в А№У8/СРХ) полуэмпирическая модель к - а ЗЗТ Ментера[2, 3]. Модель ЗЗТ, комбинируя достоинства классических моделей " к - е" и " к - а", обеспечивает достаточную точность результатов и эффективную сходимость итерационного процесса даже при относительно грубых сетках и умеренном разрешении пограничного слоя[4]. Система исходных уравнений модели имеет вид
где а3 , р3 , ак3 , аа2 , аа3 -коэффициенты; а -удельная скорость диссипации; Рк - производство турбулентности.
Теплопередача в корпусе моделируется уравнением теплопроводности
д (рерТ) = (ЯЧТ). г
Принимается, что на границе корпуса его температура совпадает с температурой пара.
Некоторые результаты расчета
Расчет выполнялся для стационарного процесса, соответствующего мощности турбины 310 МВт. В результате определялись линии тока пара, температуры корпуса и давления на его стенках. В сечении Ъ (рис. 2) представлено распределение скоростей пара в камере, где установлено сито. Следует отметить неравномерность скорости потока по его высоте. Через верхние отверстия поток проходит со скоростью 98 м/с, а через нижние - 46 м/с (2,а). С противоположной стороны (2,б) поток более равномерен, так что отсутствуют значительные перепады скорости. В сечении X (рис. 3) наблюдается увеличение
УеЬсйу [т 5Л2] " 9.312е-НЮ1
Рис. 2. Скорости потока пара в сечении Ъ
15&М1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 107 -
скорости потока до 86,6 м/с в пространстве между ситом и корпусом. Это приводит к резкому падению скорости потока пара через сито (см. правую часть рисунка). С противоположной стороны поток является более равномерным при незначительном уменьшении скорости у нижнего ряда отверстий сита. На рисунке 4 показано распределение скорости потока пара в сечении X. При этом наблюдается максимальная скорость потока, равная 188,9 м/с. За регулировочными клапанами происходит отрыв потока от внутренней стенки корпуса. Температура корпуса, как пока-
зано на рисунке 5, в этой зоне составляет 806,4 К°, что меньше на 14° чем температура пара на входе. В сечении У получена детальная картина прохождения пара через сито. На рисунке 6 показана неравномерность скорости прохождения пара через него. Заметны области, где присутствует значительное падение скорости с 98 м/с до 10 м/с. Такую неравномерность можно объяснить возникновением вихрей в задней части камеры парового сита, что показано на рисунке 7. Указанный перепад скоростей приводит к разнице температур на 1,3° (рис. 8).
Рис. 3. Скорости потока пара в сечении X, область сита
Рис. 4. Скорости потока пара в сечении X ^ге1осШ,г [т 5 "■2]
7.646 е+001
з.Ше-МН)!
|4.773е+001 3.323е-НМ>1 2.3б7е-НН>1 1.Ше+001 9.557е-ННМ> О.ОООе-ММЮ
Рис. 5. Температура корпуса в сечении X
Рис. 6. Скорости потока пара в сечении X
На рисунке 9 показано значение давления пара на стенки корпуса. Можно отметить падение дав-
ления на 2 МПа в зоне регулировочных клапанов.
Рис. 7. Линии тока с тыльной стороны сита
Рис. 8. Распределение температур в сите
Рис. 9. Распределение давления на стенках клапана
Выводы
Анализ результатов расчета свидетельствует о значительной неравномерности движения пара по проточной части регулировочного клапана. Определены области, в которых образуются отрывы потока и завихрения. Выявлена неравномерность скорости прохождения пара через сито, как по его высоте, так и по контуру. Это указывает на несовершенство проточной части регулировочного клапана и на необходимость доработки отдельных профилей и узлов с целью уменьшения сопротивления и завихрений потока. Из результатов расчета следует, что отличие минимальной и максимальной температур в корпусе для рассматриваемого режима составляет 8°. На рассмотренном режиме в ответственных элементах сита и в камере, где оно установлено, перепад температуры составил 1-2°. В то же время уста-
новлен значительный перепад давлений на стенках корпуса, который составляет 2-2,5 МПа. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании термонапряженного состояния элементов корпуса.
Приведенные данные представляют первые результаты расчета задачи в данной постановке с учетом сложной геометрии клапана. Представляется целесообразным в дальнейшем оценить влияние на точность решения иных вариантов граничных условий, изменения размерности ко-нечноэлементной сетки и количества ячеек в пограничном слое, учета обратного течения в зонах выхода потока, в том числе на других режимах работы.
Авторы выражают глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Ершову С.В. за ценные замечания, учтенные в данной работе.
Поступила в редакцию 23.06.2011
ЮБЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 109 -
А.С. Колядюк, Н.Г. Шульженко, И.Н. Бабаев. Числове моделювання течи пари в регулювальному клапан турбши
Приводиться результати числового моделювання npoupcie течи пари в регулювальному клапам паровог турбши на стащонарному режимь Розглядаеться cyMicHa задача турбулентноi течи пари та теnлonpoвiднocтi в корпуЫ клапану. Для числового розв'язання використовувався програмний комплекс ANSYS/CFX. Проиеси тypбyлентнocтi моделю-ються натвемтричною моделлю Ментера. Визначаються лтп течи в проточнй частит корпуса та тиск на його стыки. Встановлеш oблacтi вiдpивy течи та завихрення, особли-вocтi його проткання через сито. Результати приводяться в фopмi малюн^в.
Ключов1 слова:розв'язання, течiя пари,регулювальнийклапан, турбна..
A.S. Kolyadyuk, M.G. Shul'zhenko, I.N. Babayev. Computer modeling of steam flow in the regulating valve of the turbine
Results of computer modeling of steam flow in the regulating valve of steam turbine are presented. The steam operating mode is steady-state. The coupled problem of steam turbulence flow and heat conducting are solved by authors by means ANSYS/CFX software package. The semiempirical Mentera's model is applied for turbulence process modeling. The steam lines inside the shell, temperature and pressure fields on the walls are determined. The regions of flow separation and eddying, features of its leakage through the steam sieve are ascertained. Results are presented in figures.
Key words: solve, steam flow, regulating valve, turbine.
