Разработка высокоточной устойчивой вычислительной модели механики деформирования валопровода паровой турбины ТЭС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 539.3

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНОЙ УСТОЙЧИВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ МЕХАНИКИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ВАЛОПРОВОДА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТЭС

Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО*, И.Х. САИТОВ*, Н.Г. РЯБЕНКОВ*, Д.Ю. ТУЧКОВ*,

Ф.К. ЗАКИЕВ**

* Казанский государственный энергетический университет ** ОАО «Авиамотор»

Разработана высокоточная вычислительная модель валопровода паровой турбины для МКЭ (метод конечных элементов) программного комплекса

Ключевые слова: прочность, метод конечных элементов, модель, валопровод, паровая турбина.

Роторы паровых турбин являются ответственными элементами, определяющими ресурс паровых турбин. Условия их эксплуатации — предельный уровень температур и напряжений - обусловливают высокие требования к надежности работы этих агрегатов. Несмотря на большой опыт эксплуатации роторов паровых турбин в энергетике, механика их деформирования остается весьма сложной и малоизученной задачей. Переход к представлению напряженно-деформированного состояния валопровода как трехмерного объекта стал возможен с использованием конечноэлементного анализа мощных программных комплексов типа «А^У8» [1].

Для создания вычислительной модели в качестве объекта был выбран валопровод паровой турбины класса К-200-130. Для построения расчетной схемы использовались промышленные чертежи паровой турбины в масштабе 1:5.

В практике конечноэлементного анализа широко применяется принцип поэтапного моделирования. Крупные сложные модели делятся на части (супер элементы или подструктуры), проводится моделирование отдельных участков. Полученные в результате программы, описывающие отдельные сегменты конструкции, легко объединяются в общий полноценный программный макрос модели в целом. Поэтапное моделирование позволяет сократить число ошибок на этапе моделирования составного объекта и облегчает их устранение. Рассматриваемый валопровод паровой турбины класса К-200-130 является многороторным, составленным из роторов, объединенных в единую конструкцию с помощью компенсаторов-сильфонов. Сама конструкция предопределила 3 этапа моделирования. Валопровод состоит из трех роторов (ротор высокого давления, ротор среднего давления, ротор низкого давления) и двух сильфонов. Поэтому составная вычислительная модель валопровода паровой турбины класса К-200-130 будет разделена на пять структурных трехмерных моделей: три ротора и два сильфона. Так как основной задачей ставится исследование механики деформирования валопровода, расчетная схема принята упрощенной до геометрии цельнокованых роторов валопровода паровой турбины. Остальные узлы отсечены, действие дисков и лопаток на конструкцию при расчетах заменяется инерционной нагрузкой от их массовых характеристик, а также осевыми нагрузками от давления пара на лопаточный аппарат ступеней. Процедура моделирования и расчеты осуществлялись с использованием программного комплекса «А^У8» [1].

© Ю.Я. Петрушенко, И.Х. Саитов, Н.Г. Рябенков, Д.Ю. Тучков, Ф.К. Закиев Проблемы энергетики, 2011, № 7-8

Конечноэлементные модели роторов высокого, низкого и среднего давления, а также левого и правого сильфонов показаны на рис. 1, 2. Параметры сгенерированных сеток следующие: конечного элемента SOLID 45, тип разбиения MAPPED.

-L- V т

01/

й 5 II 11 if i i

як 100 415 93 79 п 91 177

№11 (0

4IV

а)

а)

б)

Рис. 2. Конечноэлементная модель сильфонов: а) правого; б) левого Все пять построенных сеточных моделей состыкованы в единое целое (рис. 3)

сшивкои совпадающих узлов элементов.

Рис. 3. Конечноэлементная модель валопровода паровой турбины К-200-130 © Проблемы энергетики, 2011, № 7-8

В процессе эксплуатации вся конструкция валопровода лежит на пяти опорных сооружениях. Граничные условия в зонах контакта опорных сооружений приняты как ограничение степеней свободы лежащих в них узлов. Физико-механические характеристики конструкции определяются свойствами роторной стали Р2МА, а поле распределения температур по телу валопровода установлено в соответствии с реальными эксплуатационными значениями (рис. 4).

BFETEHP (AVG)

RSYS-0

DHX =.110323

smi =100

£ИХ =£38. SES

Ш_

100 197.524 295.[47 392.571 490.095

148.762 246.235 343.339 441.333 538.856

Рис. 4. Распределение температур по длине валопровода паровой турбины класса К-200-130

(значения температур в °С) Для проверки достоверности разработанной вычислительной модели была проведена серия расчетов, направленных на определение напряжений и прогибов в конструкции, при различных условиях нагружения, и их соответствия физическим законам, экспериментальным эксплуатационным данным, а также расчетам по простейшим моделям в рамках балочной теории. Результаты расчетов представлены на рис. 5-8.

UY (AVG)

RSYS=0 I'MX -. 110323 SMM =-.11D323 SMX =.001ь47

-.110323 -.085441 -.060559 -.035677 -.010794

-.097882 -.073 -.048118 -.023235 .001647

Рис. 5. Прогибы валопровода паровой турбины класса К-200-130 под собственным весом в неподвижном состоянии (значения прогибов в мм).

.079924 .23970 5 .399487 .£39258 .71903

Рис. 6. Напряжения по Мизесу в роторе высокого давления паровой турбины класса К-200-130 под собственным весом в неподвижном состоянии (значения напряжений в кг/мм2)

SEQV (AVG)

Рис. 7. Напряжения по Мизесу в роторе среденего давления паровой турбины класса К-200-130 под собственным весом в неподвижном состоянии (значения напряжений в кг/мм2)

SEQV (AVE) DHX =.110323 SHU =.328Е-04 SMX =.71905

3Z8E-04 .153814 .319535 .479377 .633153

.079924 .£33705 .399487 .559258 .71905

Рис. 8. Напряжения по Мизесу в роторе низкого давления паровой турбины класса К-200-130 под собственным весом в неподвижном состоянии (значения напряжений в кг/мм2)

Проведенные расчеты подтвердили устойчивость вычислительной модели для выбранных параметров сетки, а также высокую достоверность получаемых результатов. Это позволяет применять построенную вычислительную модель для детального прочностного анализа валопроводов паровых турбин ТЭС как рассматриваемого класса, так и подобных им.

Summary

High-precision steam turbine shafting model was created with ANSYS software. Key words: strength, finite element method, model, shafting, steam turbine.

Литература

1. Басов К.А. Справочник пользователя ANSYS. М.: ДМК-пресс, 2005. С.

Citation

1. К. Basov. ANSYS user's manual. Moscow: DMK-press, 2005.

Поступила в редакцию 30 июня 2011 г.

Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Механика» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

© Проблемы энергетики, 2011, № 7-8

Саитов Ильдар Хасянович - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Динамика и прочность машин» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: saitovildar@mail.ru. Тел.: 8-960-0529829.

Рябенков Н.Г. - д-р физ.-мат. наук, доцент кафедры «Механика» Казанского государственного энергетического университета.

Тучков Дмитрий Юрьевич - аспирант кафедры «Динамика и прочность машин» (ДИМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: tuchkov_dmitry@mail.ru. Тел.: 8-906-1105447.

Закиев Фарид К. - руководитель отдела прочности ОАО «Авиамотор». E-mail: far@aviamotor.ru.