Программный комплекс решения задач компьютерного моделирования эрозии лопаток влажнопаровых турбин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программный комплекс решения задач компьютерного моделирования эрозии лопаток влажнопаровых турбин

Проводимые в настоящее время исследования эрозионного износа (ЭИ) деталей влажнопаровых турбин направлены на поиск рациональных мероприятий по его снижению. В основном подобные исследования проводятся путем обследования натурных турбин или на каплеударных стендах. Применение такого подхода существенно ограничивает полноту исследования, так как проведение большого числа управляемых экспериментов на натурных турбинах - очень длительный и дорогостоящий процесс. Альтернативным подходом в подобных случаях является исследование эрозионного износа на базе систем компьютерного моделирования. Однако из-за сложности реализации математических моделей эрозионных процессов в настоящее время практически не существует соответствующих специализированных систем компьютерного моделирования, направленных на решение задач изучения эрозии.

ЭИ подвержены различные элементы проточной части турбин. Создание универсальной системы их компьютерного моделирования на данный момент не представляется возможным ввиду недостаточного развития методов математического моделирования эрозии. Применительно к влажнопаровым турбинам наиболее существенной можно назвать каплеударную эрозию входных кромок рабочих лопаток (РЛ), которая способна снизить КПД последней ступени цилиндра низкого давления (ЦНД) на 5,0.. 6,5% [1]. При этом в настоящее время существуют методы ее эффективного математического и компьютерного моделирования [2; 3] и алгоритмы решения задач ее автоматизированного исследования [4; 5]. По этой причине в данной статье рассматриваются вопросы разработки и функционирования программного комплекса для решения задач компьютерного моделирования только такого вида эрозии.

В зависимости от целей исследования можно выделить три основных вида задач компьютерного моделирования каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин:

· прогнозирование эрозионного износа;

· выявление или уточнение эрозионно-усталостных свойств материалов и их защитных покрытий;

· определение параметров оптимальной противоэрозионной защиты.

Задача прогнозирования эрозионного износа является прямой задачей моделирования, так как в ней необходимо по известным параметрам модели получить прогноз ее нового состояния через определенное время (рис. 1). При этом остальные две задачи относятся к обратным задачам моделирования, поскольку их целью является определение конкретных параметров самой модели каплеударной эрозии. Применительно к задаче определения параметров оптимальной противоэрозионной защиты добавляется дополнительное требование к искомой модели - минимизация зоны эрозии.

усталостный эрозия архитектура программный

Рис. 1. Схема взаимосвязи задач компьютерного моделирования каплеударной эрозии

Ключевое место в данной схеме отведено задаче прогнозирования эрозионного износа РЛ влажнопаровых турбин, так как на ее основе возможно построение алгоритмов решения обратных задач.

Существующие в настоящее время алгоритмы решения задач компьютерного моделирования [3-5] были реализованы в программном комплексе «Эрозион». Основным аспектом, повлиявшим на формирование его базовой архитектуры, является необходимость применения GRID-технологий ввиду использования при прогнозировании каплеударной эрозии методов распределенного имитационного моделирования. Поэтому архитектура программы является клиент-серверной и включает в себя серверный и клиентский компоненты, а также базу данных (БД) (рис. 2).

Для обеспечения возможности полноценного функционирования программы на компьютерах без доступа к локальной сети и повышения переносимости в архитектуре программного комплекса база данных не включается в состав серверного компонента. Это позволяет работать с программой в автономном режиме. Необходимая для моделирования информация загружается из файла с проектом, а результаты моделирования также сохраняются в файл.

Серверный компонент включает 4 подсистемы:

1. Подсистема распределенного компьютерного моделирования эрозионного износа. Она имеет следующие функции:

· в автономном режиме - прогнозирование каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин без применения технологий распределенных вычислений (моделирование осуществляется только данной подсистемой на локальном компьютере);

Рис. 2. Архитектура программного комплекса «Эрозион»

· организация распределенных вычислений с помощью встроенной серверной части модуля распределенных вычислений;

· в режиме распределенных вычислений - прогнозирование каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин на основе метода распределенного имитационного моделирования [3] (серверный компонент моделирует только начальные этапы, не задействованные в распределенных вычислениях).

2. Подсистема выявления эрозионно-усталостных свойств материалов. Ее основной функцией является определение математического ожидания и среднеквадратичного отклонения количественных характеристик эрозионно-усталостных свойств новых материалов и уточнение этих свойств для ранее применяемых материалов. Подсистема реализует численный метод, представленный в работе [4].

3. Подсистема оптимизации. Она осуществляет функции по поиску параметров оптимальной противоэрозионной защиты на основе распределенного имитационного моделирования каплеударной эрозии для разных вариантов постановки задачи [5].

4. Подсистема управления проектами. В рассматриваемой архитектуре проект является центральным звеном, так как объединяет в себе исходные данные и полученные от других подсистем результаты. Подсистема связывает воедино остальные подсистемы, модули, а также взаимодействует с базой данных. Она имеет следующие функции:

· создание и редактирование проектов;

· загрузка и сохранение проектов в файл в формате XML;

· импорт исходной геометрии РЛ и экспорт результатов в форматы, доступные для обработки другими приложениями (в качестве формата обмена данными между программным комплексом «Эрозион» и CAD-системами был выбран распространенный и универсальный формат IGES);

· инициализация и запуск подсистемы в соответствии с решаемой задачей;

· обработка результатов вычислительных экспериментов;

· загрузка сведений о материалах и турбинах из БД;

· управление пользователями и хранилищем проектов.

Помимо перечисленных подсистем в серверном компоненте в отдельный модуль выделен интерфейс пользователя (рис. 3), посредством которого осуществляются следующие функции:

· настройка глобальных переменных, используемых подсистемами;

· поддержка удобного, понятного и эффективного ввода данных и настройки пользователем подсистемы управления проектами;

· вывод результатов моделирования, в том числе трехмерная визуализация исходных и эродированных РЛ.

Рис. 3. Интерфейс главной формы ПК «Эрозион»

Клиентский компонент представляет собой подсистему локального компьютерного моделирования эрозионного износа. На данную подсистему ложится основная вычислительная нагрузка, так как в ней реализуются оставшиеся этапы моделирования, которые определяют высокую потребность в вычислительных ресурсах. По аналогии с серверным в клиентском компоненте программного комплекса также имеется часть подсистемы распределенных вычислений.

База данных, разработанная для программного комплекса «Эрозион», является реляционной и содержит таблицы: «Материал», «Влажнопаровая ступень», «Координаты точек сечения», «Параметры дуг», «Пользователи» и «Проекты». Таблицы «Пользователи» и «Проекты» образуют изолированное хранилище проектов внутри БД. Проектирование структуры БД осуществлялось в MS SQL Server 2008 Express.

Программный комплекс «Эрозион» является объектно-ориентированным и состоит из следующих модулей:

1. ErosionLibrary - библиотека классов, необходимых для численного решения задач прогнозирования эрозии, выявления эрозионно-усталостных свойств материалов и определения параметров оптимальной противоэрозионной защиты. Включает в себя подсистему выявления эрозионных свойств материалов, подсистему оптимизации и подсистему распределенного компьютерного моделирования эрозионного износа. Компилируется в виде динамической библиотеки ErosionLibrary.dll.

2. DistributedCalculation - сетевая библиотека для организации распределенных вычислений. Включает в себя как серверную, так и клиентскую части подсистемы распределенных вычислений. Компилируется в библиотеку DistributedCalculation.dll.

3. Erosion - модуль для работы пользователя с базой данных и проектами. Посредством данного модуля осуществляется взаимодействие пользователя со всеми функциональными возможностями программы. Компилируется в виде исполняемого файла Erosion.exe, с запуска которого начинается работа с программой.

4. ErosionClient - клиентский модуль для организации распределенного моделирования. Включает в себя подсистему локального компьютерного моделирования каплеударной эрозии. Компилируется в виде исполняемого файла ErosionClient.exe, который должен запускаться на каждой ЭВМ, участвующей в распределенных вычислениях.

Модули разрабатывались в среде MS Visual Studio 2008 с помощью языка программирования C# и платформы Microsoft.NET. Трехмерная визуализация исходных и эродированных профилей РЛ в программе основана на функциях библиотеки OpenGL, для взаимодействия с которой использовалась открытая библиотека Tao.NET/C# framework for OpenGL.

Для оценки адекватности результатов компьютерного моделирования, получаемых с помощью программного комплекса «Эрозион», были проведены соответствующие вычислительные эксперименты.

Применение программного комплекса «Эрозион» для решения задачи прогнозирования эрозии исследовано на примере последних ступеней турбины К-300-240 ЛМЗ и главного турбоагрегата (ГТА) атомного ледокола «Ленин». Проведенные вычислительные эксперименты показали, что большая часть расчетных значений характеристик зон эрозии имеют погрешность 5% для турбины К-300-240 ЛМЗ и 15% для ГТА атомного ледокола «Ленин». Более высокая погрешность отдельных параметров (износ хорды - 28% для

К-300-240, ширина зоны эрозии - 40% для ГТА а/л «Ленин») обусловлена неполными сведениями о реальных режимах эксплуатации упомянутых турбин и отклонениями в конструкционных параметрах их проточной части.

С целью определения оптимальных значений параметров моделирования был проведен ряд вычислительных экспериментов. Было исследовано влияние таких параметров, как количество перерасчетов, количество фракций капель, количество экспериментов, количество горизонтальных и вертикальных сечений, на скорость и точность прогнозирования. Данное исследование было проведено с целью поиска значений параметров, обеспечивающих минимальное время моделирования при приемлемой степени точности прогнозирования ЭИ. В результате были получены следующие значения перечисленных параметров моделирования: размер статистической выборки - 10, количество перерасчетов - 20, количество эрозионно опасных фракций - 9, количество сечений РЛ по вертикали - 80, количество сечений РЛ по горизонтали - 80.

При проведении экспериментов по выявлению эрозионно-усталостных свойств материалов в качестве исходной информации были использованы данные о значениях износа хорды, полученные в ходе экспериментов по прогнозированию ЭИ. Результаты экспериментов показали соответствие расчетных и реальных значений известных эрозионно-усталостных свойств материалов с учетом заданной точности. При этом для повышения точности целесообразно увеличить размер статистической выборки с 10 до 100-200.

Вычислительные эксперименты по определению оптимальных параметров противоэрозионной защиты показали, что для турбины К-300-240 снижение ЭИ может быть достигнуто путем уменьшения осевого зазора и применения защитного покрытия из стеллита длиной не менее 742 мм и шириной от 5 мм. Наиболее эрозионно безопасными для турбины К-300-240 являются режимы с пониженной мощностью, что может быть учтено при составлении или корректировке графика режимов эксплуатации турбины. Оптимальным противоэрозионным покрытием при эксплуатации ГТА а/л «Ленин» в течение 30000 ч является покрытие из сплава КБХ высотой не менее 52 мм и шириной не менее 3 мм. Полученные в ходе экспериментов рекомендации по параметрам оптимальной защиты для турбин К-300-240 ЛМЗ и а/л «Ленин» подтверждаются также натурными и теоретическими исследованиями.

На основании проведенных вычислительных экспериментов по решению задач компьютерного моделирования каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин можно сделать вывод о корректности результатов, получаемых с помощью программного комплекса «Эрозион». Его применение в научно-исследовательской и практической деятельности позволит повысить эффективность проектирования и эксплуатации энергетического оборудования. Разработанный программный комплекс «Эрозион» зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам [6].

Список литературы

усталостный эрозия архитектура программный

1. Гаркуша, А.В. О влиянии эрозионного уноса металла лопаток на экономичность паровых турбин / А.В. Гаркуша, М.Ф. Федоров, С.П. Сударкина [и др.] // Энергетическое машиностроение. - Харьков, 1977. - Вып.23. - С. 127-133.

2. Лагерев, А.В. Эрозия паровых турбин: вероятностный подход. В 3 т. Т. 2. Вероятностное прогнозирование эрозии паровых турбин: монография / А.В. Лагерев. - М.: Машиностроение-1, 2006. - 295 с.

3. Дергачёв, К.В. Особенности разработки и программной реализации имитационной модели эрозионного изнашивания рабочих лопаток мощных влажнопаровых турбин / К.В. Дергачёв, Д.А. Коростелёв // Вестн. БГТУ. - 2008. - №4. - С. 49-57.

4. Лагерев, А.В. Компьютерное имитационное моделирование каплеударной эрозии восстановленных рабочих лопаток влажнопаровых турбин / А.В. Лагерев, К.В. Дергачёв, Д.А. Коростелёв // Математическое моделирование и информационные технологии: сб. науч. тр. / под ред. В.К. Гулакова,

5. А.Г. Подвесовского. - Брянск: БГТУ, 2009. - С. 16-27.

6. Коростелёв, Д.А. Определение параметров оптимальной противоэрозионной защиты рабочих лопаток влажнопаровых турбин на основе компьютерного имитационного моделирования / Д.А. Коростелёв, А.В. Лагерев // Вестн. БГТУ. - 2010. - №3. - С. 58-67.

7. Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы для ЭВМ №2010614231. Программный комплекс «Эрозион» / Коростелёв Д.А., Лагерев А.В., Дергачёв К.В.

Размещено на Allbest.ru