CC BY
34Решетневскце чтения
УДК 621.165
А. В. Делков, Е. В. Черненко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК КАК ИНСТРУМЕНТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ*
Рассматриваются вопросы моделирования рабочего процесса паротурбинной установки на низкокипящем рабочем теле (ПТУ НРТ). Оцениваются структура и связи системы уравнений математической модели. Выделяются прямая и обратная задачи проектирования подобных установок.
Создание математических моделей является перспективным направлением в современных исследованиях. Модель позволяет рассчитать основные параметры процесса при известных начальных условиях, получить их изменение при варьировании входных данных, оценить влияние различных факторов на работу установки.
Авторами предпринята попытка создания математической модели ПТУ НРТ малой мощности, утилизирующей низкопотенциальное и сбросное тепло. Математическая модель (см. рисунок) определяет совместную работу составных элементов ПТУ НРТ. В структурную схему установки входят следующие элементы.
1. Турбина (используется активная осевая турбина для превращения энергии рабочего тела в работу).
2. Циркуляционный насос, предназначенный для повышения давления рабочего тела и подачи его в испаритель.
3. Испаритель, предназначенный для передачи тепла от источника к рабочему телу.
4. Конденсатор, предназначенный для передачи тепла рабочего тела источнику холода.
5. Электрогенератор.
Внешние параметры
Структурно-функциональная схема модели
В основу модели установки заложены математические модели входящих в нее элементов, позволяющие определять основные параметры рабочего тела, по которым можно судить о реакции оборудования на изменение как внешних, так и внутренних фактров.
В рассматриваемой установке основными параметрами, обеспечивающими требуемые режимы работы, являются давление р, расход V, температура Т и угловая скорость вращения ротора турбины.
Формально система уравнений делится на две части: внутреннюю, описывающую процессы в системе ПТУ, и внешнюю, характеризующую окружающую среду. Внутренняя подсистема, базируясь на уравнениях отдельных элементов, связанных уравнениями балансов системы, дополняется внешними условиями - характеристиками источника и холодильника. Для упрощения теплоемкость внешних источников принимается бесконечной, что обусловливает постоянство их температур вне зависимости от режима работы внутренней системы. Это условие делает систему совместной и дает возможность найти параметры работы установки.
Модель позволяет вести расчеты в двух направлениях, решая прямую и обратную задачи проектирования.
Прямая задача - при известных входных параметрах испарителя и конденсатора спроектировать паротурбинную установку.
Исходные данные для прямой задачи: характеристики источника; характеристики холодильника; полезная мощность турбины; угловая скорость вращения ротора; низкокипящее рабочее тело (фреон) и его диаграмма.
Результатом решения прямой задачи являются определенная геометрия установки, ее баланс энергий, выдаваемые мощности и КПД.
Обратная задача - при известной геометрии ПТУ получить ее параметры на разных режимах, характеристики, и на основе этого оптимизировать цикл работы установки.
Исходные данные для обратной задачи: геометрия турбины, насоса, теплообменников; рабочее тело и его диаграмма; угловая скорость вращения ротора насоса; характеристики источника и холодильника, диапазон и шаг изменения управляющих параметров.
Результат решения обратной задачи - серии расчетных параметров для различных сочетаний управляющих факторов, на основе которых проводится определение оптимальных режимов работы установки и критических ситуаций.
0 Р т Т кил т т
р
Уравнения элементов Уравнения системы Параметрь системы
*Работа выполнена при финансовой поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательных аппаратов
Обратная задача может быть решена только с учетом реальных потерь в турбине, которые в большинстве случаев находятся экспериментально. Разбалан-сировка потерь необходима для выявления степени влияния их на работу турбины.
Определение коэффициентов потерь ввиду сложности их анализа на данном этапе возможно только опытным путем. Алгоритм за неимением экспериментальных данных разработан с учетом рекомендуемых значений коэффициентов потерь для типовых ПТУ:
в сопловом аппарате турбины ф; в рабочем колесе у. Потери с выходной скоростью определяются по треугольнику скоростей. Вентиляционные потери и потери от дискового трения находятся с учетом трения в пространственном пограничном слое. Механические потери находятся с учетом скорости вращения и давлений в системе.
На основе модели рабочего процесса планируется создание адекватных расчетных алгоритмов оптимизации и совершенствования паротурбинных установок.
A. V. Delcov, E. V. Chernenko Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
SIMULATION OF STEAM TURBINE UNITS AS A TOOL OF DESIGN AND OPTIMIZATION
This article considers issues of modeling workflow of a steam turbine at low boiling working fluid. Structure and communication system of equations of the mathematical model are evaluated. The direct and inverse problems of designing of such systems are provided.
© Делков А. В., Черненко Е. В., 2011
УДК 621.454.2
Ю. Ю. Дюкарев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Рассмотрены особенности проектирования специальных приспособлений для настройки электроэрозионных станков с числовым программным управлением, обеспечивающих обработку лопаток газовых турбин.
Лопатки газовых турбин ракетных двигателей имеют сложный геометрический профиль. Одним из эффективных методов изготовления лопаток является электроэрозионная обработка на специальных станках с числовым программным управлением (ЧПУ). При этом образование профиля лопаток обеспечивается электродом-инструментом [1].
Электрод-инструмент представляет собой дугообразную пластинку, изготовленную из меди и повторяющую контур лопатки до середины хорды дуги полуокружности. Оставшаяся (до полного профиля) часть хорды формируется вторым электродом. Главное условие качественной обработки контура лопаток заключается в необходимости соединения двух электродов в центре дуги профиля. Требуемая точность реализации этого условия достигается настройкой электроэрозионного станка с применением специального приспособления. В связи с этим разработка принципиальных особенностей проектирования технологических приспособлений для точной настройки электроэрозионных станков с ЧПУ является актуальной научно-практической инженерной задачей.
Проведен анализ действующих каталогов оснастки с целью исключения повторного проектирования и
возможности применения стандартной унифицированной оснастки. Установлено, что стандартное технологическое оснащение не обеспечивает выполнения сложного газодинамического профиля лопаток турбин с требуемой точностью.
Разработаны предложения по методике проектирования оснастки, на этой основе разработана конструкция приспособления, которое устанавливается на станок при настройке программы обработки. В качестве технологической базы применен шарообразный наконечник, определяющий начальную точку координат стыковки электродов.
Использование специального приспособления позволит проводить настройку электроэрозионного станка в автоматическом режиме, что повышает точность обработки лопаток и сокращает технологическое время изготовления сложных деталей.
Библиографическая ссылка
1. Технология производства жидкостных ракетных двигателей : учебник / В. А. Моисеев, В. А. Тарасов, В. А. Колмыков, А. С. Филимонов ; под ред. В. А. Моисеева и В. А. Тарасова. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
