Особенности разработки и программной реализации имитационной модели эрозионного изнашивания рабочих лопаток мощных влажно-паровых турбин

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Особенности разработки и программной реализации имитационной модели эрозионного изнашивания рабочих лопаток мощных влажно-паровых турбин

К.В. Дергачев

Рассмотрены основные проблемы моделирования эрозии мощных влажно-паровых турбин, определены направления и способы их решения. Предложен алгоритм моделирования эрозии и методы его оптимизации. Рассмотрены этапы проектирования и программной реализации имитационной модели эрозии входных кромок рабочих лопаток мощных влажно-паровых турбин.

Ключевые слова: имитационное моделирование; каплеударная эрозия; рабочая лопатка; влажно-паровая турбина.

турбина лопатка паровой кромка

При эксплуатации влажно-паровых турбин (ВПТ) актуальной является проблема эрозии элементов их проточных частей. Эрозия приводит к снижению эффективности и надежности энергетических установок (снижение кпд турбины, повышение уровня вибрации и т.д.). Особенно подвержены эрозии входные кромки рабочих лопаток (РЛ) последних влажно-паровых ступеней.

Рационализация выбора активных и пассивных мер противоэрозионной защиты основана на изучении особенностей эрозии и ее моделировании. Вследствие микроуровневого характера каплеударного нагружения поверхности материала эрозия не моделируется в лабораторных условиях (на каплеударных стендах). Поэтому в настоящее время для изучения и прогнозирования эрозии используются натурный эксперимент и математическое (компьютерное) моделирование.

Исследование на реальных турбоустановках является долговременным, очень дорогостоящим методом, требующим обследования большого числа различных турбин. Натурные эксперименты, как правило, используются для проверки эффективности противоэрозионных мероприятий (материалы лопаток и защитных элементов, новые типоразмеры конструкционных элементов проточной части, сепараторы влаги и т.п.), однако они не позволяют оперативно прогнозировать и диагностировать эрозионное состояние РЛ турбин, рационально планировать графики остановов турбин для их осмотра и ремонта.

Математическое компьютерное моделирование эрозии является намного более доступным, дешевым и быстрым. Адекватность математических моделей, в свою очередь, должна быть основана на результатах осмотров и замеров параметров зон эрозии элементов натурных турбин.

Создание компьютерной системы моделирования эрозии не решает полностью проблему минимизации экономических потерь от эрозии при эксплуатации ВПТ и повышения надежности турбомашин. Необходимыми элементами такой минимизации являются подсистемы:

расчета профильных потерь эродированных профилей турбинных лопаток;

расчета вибрационного состояния эродированной турбинной ступени;

принятия решения о необходимости останова турбины для ремонта.

Реализация и использование данных подсистем направлены на снижение риска принятия ошибочного решения при определении момента времени останова турбины для ремонта (в зависимости от эрозионного состояния РЛ, профильных потерь, вибрационного состояния турбинной ступени).

Таким образом, для изучения эрозии, ее прогнозирования, диагностики, обоснованного выбора мер противоэрозионной защиты и планирования оптимальных графиков ремонтов представляется оправданной программная реализация имитационной модели с использованием модуля принятия решений.

Для процессов эрозионного изнашивания (ЭИ) лопаток ВПТ характерна пространственно-временная и режимная неоднородность. Пространственная неоднородность проявляется в переменности местной интенсивности разрушения и характеристик рельефа эродированных поверхностей в пределах зон эрозии, временная - в существовании чередующихся во времени периодов различной интенсивности повреждения, режимная - в неодинаковой эрозионной опасности возможных режимов эксплуатации влажно-паровых турбин. Существенное влияние на кинетику эрозии РЛ в процессе эрозионного изнашивания оказывает также неоднородность микроструктуры материалов. Поэтому для достижения приемлемого уровня достоверности модели необходимо в ходе имитационного моделирования учитывать статистический характер эрозии.

Современные подходы к прогнозированию эрозионного состояния деталей проточной части влажно-паровых турбин в процессе их эксплуатации нашли отражение в вероятностной теории эрозии, разработанной А.В. Лагеревым [1]. В его работах описаны методики и алгоритмы проведения расчетов эрозионного износа, а также основные требования к проведению пространственной и режимной дискретизации, обеспечивающей учет статистического характера эрозии. Процесс эрозии рассматривается автором теории как процесс накопления повреждений в материале, сходный с многоцикловой усталостью. Реализованные программы прогнозирования эрозии, основанные на единой вероятностной теории А.В.Лагерева, показывают хорошее согласование результатов моделирования с результатами обследования турбин.

Существующие реализации алгоритмов моделирования, основанные на вероятностной теории эрозии, имеют ряд недостатков. Во-первых, в них не учитывается изменение каплеударной нагрузки на микроплощадки с течением времени, вызванное изменением профиля РЛ. Таким образом, отсутствует имитация эрозии, и расчет выполняется сразу за весь промежуток времени, что снижает точность моделирования. Подобные алгоритмы эффективны при относительно небольших уровнях эрозионного износа РЛ, характерных для маломощных приводных турбин, однако для мощных ВПТ и длительных сроков эксплуатации точность моделирования будет снижаться прямо пропорционально времени эксплуатации. Во-вторых, по результатам моделирования сложно оценить параметры зоны эрозии, так как отсутствует их наглядная визуализация. В-третьих, отсутствуют механизмы автоматизированной экспертной оценки определения момента опасности эксплуатации и экономической целесообразности останова турбины для ремонта.

Перечисленные недостатки программных реализаций представляется возможным устранить посредством разработки и реализации компьютерной имитационной модели, основанной на единой вероятностной теории эрозии, с полноценной трехмерной визуализацией эрозионного состояния лопаток и системой принятия решений.

Выделяют следующие этапы моделирования эрозии РЛ (рис. 1) [4]:

Проведение пространственной дискретизации. Дает информацию о координатах любой точки на поверхности РЛ на основе данных о геометрии базовых профилей лопатки, которые интерполируются в соответствии с параметрами дискретизации для нахождения координат точек промежуточных профилей.

Моделирование процесса расширения пара во влажно-паровой ступени на номинальном и частичных режимах. Исходными данными для моделирования на номинальном режиме служат значения газодинамических параметров перед моделируемой ступенью на среднем диаметре и ее конструкционные параметры. Исходными данными для моделирования частичных режимов являются газодинамические параметры номинального режима и параметры пара за рабочим колесом для каждого из частичных режимов. В результате моделирования как на номинальном, так и на частичных режимах определяются параметры пара за сопловой решеткой, необходимые для определения характеристик эродента: массового расхода влаги, направления движения пара, его абсолютной скорости, температуры и удельного объема [7; 8].

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 1. Алгоритм имитационного моделирования каплеударной эрозии РЛ ВПТ

Моделирование процесса образования и движения капельной влаги в межвенцевом зазоре и параметров соударения. Исходной информацией для данного этапа являются газодинамические параметры пара в межвенцевом зазоре и объемная геометрия рабочей лопатки, полученные на предыдущих этапах моделирования. Результатом расчета являются характеристики капельной влаги: размеры капель, их количество, углы падения, - а также эпюры распределения по поверхности лопатки нормальных составляющих скорости соударения капель с поверхностью РЛ [7].

Моделирование эрозионно-усталостного повреждения входной кромки РЛ. Исходными данными для этого этапа являются геометрические характеристики поверхности РЛ последней ступени ВПТ, результаты моделирования на предыдущем этапе и эрозионно-усталостные свойства материала. В результате моделирования определяем величины повреждения микроплощадок поверхности материала, подвергающихся эрозионному изнашиванию при каплеударной эрозии, за единицу времени. В итоге, используя данные об интенсивности эрозии, получаем зависимость инкубационного периода материала от координаты на поверхности РЛ [1].

Моделирование кинетики эрозионно-усталостного разрушения материала РЛ. По значениям эрозионных свойств материала лопатки и инкубационному периоду в каждой точке эродирующей поверхности моделируется кинетическая кривая эрозии. Ее график позволяет определить глубину износа в расчетных областях поверхности РЛ для заданного момента времени эксплуатации ВПТ.

Моделирование пространственной геометрии РЛ. По данным о глубине эрозии в каждой точке поверхности РЛ определяем координаты точек эродированных профилей и строим обновленную пространственную модель эродированной лопатки.

Учитывая изменения профиля РЛ, этапы 3-6 необходимо повторять итерационно (рис.1).

Одним из ключевых показателей эрозии является глубина разрушенного поверхностного слоя материала РЛ. Современные методики определения уровня этого разрушения базируются на построении моделей кинетических кривых (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

В этой модели кривой выделяются три периода:

1. Инкубационный период (I) продолжительностью обусловлен первоначальным накоплением напряжений в микрообъемах поверхности и сопровождается образованием усталостных трещин. Линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений Польмгрена-Майнера позволяет количественно связать интенсивность накопления эрозионно-усталостных повреждений со временем до начала разрушения поверхности материала [3]:

, (1)

где k - коэффициент пропорциональности.

2. Период интенсивной эрозии (II). Начало этого периода связано с моментом превышения предельного уровня накопившихся эрозионно-усталостных напряжений и отрывом вследствие этого групп зерен поверхностного слоя материала РЛ. Скорость эрозионного изнашивания во втором периоде, определяемая из кинетической кривой как тангенс угла наклона ветви максимальной эрозии (рис. 2), зависит от и эрозионного свойства материала E0 [3]:

.

3. Период установившейся скорости эрозии (III). Этот период объясняется сформировавшимся эрозионно-стойким рельефом поверхности материала [2]. Предлагается эмпирическая методика определения относительной скорости эрозии в третьем периоде [5]: . Ее значение зависит от максимальной нормальной составляющей скорости соударения, предельного радиуса капли, динамической вязкости и температуры жидкости:

где k1…k8 - эмпирические коэффициенты, характеризующие эрозионную стойкость материала; k = 0,43429.

В вероятностной теории эрозии паровых турбин [1] в качестве эрозионно-усталостных свойств материалов используются пять величин:

предел эрозионной выносливости (или однозначно связанные с ним скоростные эквиваленты и комплексы );

показатель наклона mэ левой ветви кривой эрозии;

абсцисса точки перелома Nэ0 кривой эрозии;

фиктивная толщина слоя эродированного материала для второго периода эрозионного разрушения E0;

фиктивная толщина слоя эродированного материала для третьего периода эрозионного разрушения E1.

Первые три из названных свойств определяют количественные характеристики процесса накопления эрозионных повреждений микрообъемов поверхностного слоя и продолжительность инкубационного периода, а E0 и E1 - показатели процесса развития во времени глубины разрушенного слоя материала.

Эрозионно-усталостные свойства E0 и E1 могут выявляться с помощью исследования кинетики эрозионного изнашивания образцов материалов на лабораторных установках и стендах. Это следует из экспериментально установленного факта инвариантности величин названных свойств по отношению к условиям ударного нагружения [2]. Они представляют собой константы материала, режима его термообработки и отдельных факторов состояния эродирующей поверхности и поверхностного слоя. В первом приближении можно считать, что эти величины, определенные по результатам стендовых испытаний, не изменяются или незначительно изменяются в реальных условиях эксплуатации влажно-паровых турбинных ступеней. Поэтому значения эрозионно-усталостных свойств E0 и E1 определяются из соответствующих таблиц [1].

Переход от однопроходного метода расчета эрозии к ее имитационному моделированию требует уточнения значений эрозионных свойств материалов W'R, mэ, Nэ0 , которые вычисляются путем решения обратной задачи: по известным размерам зон эрозии (или инкубационному периоду) натурных турбин и режимам эксплуатации определяются эрозионные свойства материалов. В качестве базовых величин эрозионных свойств можно использовать рекомендуемые данные [1, c. 109]. Обратная задача решается согласно методике [1, c. 98-116], её целью является нелинейная оптимизация целевой функции:

,

где - статистические данные о случайном разбросе продолжительности инкубационных периодов, полученные в результате натурного обследования РЛ турбины, j - номер сечения по высоте РЛ; - характеристики нормального распределения инкубационного периода, полученные в результате имитационного моделирования.

Рассмотрим более детально основные особенности построения имитационной модели и ее вычислительные характеристики.

Точность модели эрозии зависит от числа микроплощадок, на которые разбивается поверхность РЛ. Однако с повышением уровня дискретизации (пространственной, временной, режимной) возрастают требования к вычислительным ресурсам системы. Наиболее ресурсоемкими с точки зрения длительности вычислений являются 3-й и 4-й этапы (рис.1).

В ходе моделирования образования и движения капельной влаги (этап 3) необходимо проводить пространственную дискретизацию потока пара, а также решать дифференциальные уравнения движения для определения траекторий и скоростей капель перед соударением с поверхностью РЛ. С учетом того, что профиль со временем изнашивается, целесообразно периодически проводить экстраполяцию траекторий и скоростей капель и моделировать эрозионно-усталостное повреждение областей поверхности РЛ, ранее экранированных соседней лопаткой.

Для выполнения 3-го и 4-го этапов выбирается интервал времени Дф (например, 1 с), за который для каждой эрозионно-опасной фракции k определяется количество капель nk, попадающих на микроплощадку Sij, и нормальная составляющая скоростей (v'n)kij. Повреждение, наносимое материалу микроплощадки Sij одной каплей, определяется по формуле [1]

.

Тогда суммарное повреждение, наносимое всеми каплями эрозионно-опасных фракций, можно определить по формуле

.

По вычисленному значению суммарного повреждения D за интервал Дф мы можем вычислить длительность инкубационного периода по формуле (1):

.

Зная значение инкубационного периода, мы можем определить и другие характеристики кинетической кривой (рис.2).

Итерационное повторение этапов 3-6 играет ключевую роль в потребностях программы в высокопроизводительных вычислениях. Чтобы обеспечить высокую степень точности прогнозирования за приемлемое время, необходимо использовать технологию распределенных вычислений. Для этих целей можно задействовать специальные вычислительные кластеры. Однако такой подход довольно дорогостоящий.

Учитывая широкое распространение в организациях локальных сетей, можно предложить другой подход, заключающийся в распределении вычислений между узлами сети (метакомпьютинг). В большинстве случаев он является эффективным, так как мощность современных компьютеров используется лишь на несколько процентов. Метакомпьютинг целесообразно применять в случаях, когда возможно разбиение всей вычислительной задачи на подзадачи, причем время обработки одной подзадачи должно быть гораздо больше времени, затрачиваемого на обмен данными между компьютерами.

Для имитационного моделирования эрозии рабочих лопаток разработан модуль распределенных вычислений для платформы Microsoft.NET, поддерживающий все языки программирования, используемые на этой платформе [6]. В качестве подзадач в данном случае можно использовать расчеты эрозионного износа для каждой РЛ или рассчитывать независимо разные интервалы сечений РЛ.

Еще одним важным аспектом имитационного моделирования эрозии является вопрос организации эффективного хранения и использования данных. В связи с этим предлагается использовать реляционную базу данных (БД), структура которой представлена на рис. 3.

БД состоит из следующих таблиц:

Tubines - таблица видов турбин;

Materials - таблица эрозионных свойств материалов;

Steps - таблица турбинных ступеней;

ArcProfile - таблица исходной геометрии РЛ, заданной дугами;

PointsProfile - таблица исходной геометрии РЛ, заданной точками;

Experiments - таблица настроек параметров моделирования;

PartsRegimes - таблица с параметрами частичных режимов, полученными с помощью датчиков во время эксплуатации;

ResGasDyn - таблица с дискретизированными данными о газодинамических параметрах пара перед РЛ;

ErosionedScoops - таблица, содержащая текущее эрозионное состояние РЛ в

виде глубины эрозии микроплощадок и накопленного усталостного

повреждения.

База данных системы моделирования разработана в СУБД MS SQL Server 2005 Express, так как она предоставляет мощные и надежные средства и широкий набор функций, большие возможности по защите данных, обеспечивает высокую производительность и распространяется бесплатно.

Программа, осуществляющая имитационное моделирование эрозии, разрабатывается на базе платформы Microsoft.NET на языке программирования C#.

Проблема наглядной визуализации исходной и эродированной лопаток решается посредством использования графической библиотеки OpenGL, которая является мощным и эффективным средством работы с графикой.

На базе результатов имитационного моделирования программная система сможет выдавать рекомендации о целесообразности останова турбины. Входными параметрами для определения оптимального момента останова турбины являются размеры зон эрозии и время эксплуатации, а сам алгоритм основан на сопоставлении затрат на техобслуживание и потерь от дальнейшей эксплуатации турбины. При таком экспертном оценивании можно предусмотреть использование результатов имитационного моделирования совместно с базой знаний по эрозии конкретных видов турбин и выдавать рекомендации, применяя элементы теории нечеткой логики.

Разрабатываемая программная система позволит без останова турбины определить текущее эрозионное состояние, визуализировать его и сделать вывод о целесообразности останова турбины на основе выданных рекомендаций.

Возможным направлением использования данной системы является ее применение в качестве исследовательского аппарата для проверки конструкторских решений с точки зрения эффективности защиты от эрозии. Она может быть использована в качестве системы поддержки принятия решения при планировании графиков остановов турбин, а также в процессе обучения специалистов по эксплуатации и конструированию турбин.

Одним из перспективных направлений применения данной системы является ее интеграция с уже использующимися системами диагностики для повышения качества и оперативности обработки информации. Решение задачи создания оперативной системы диагностики эрозии напрямую зависит от точности и полноты информации об эрозионном состоянии лопаток турбин. Поэтому применение разрабатываемого комплекса прогнозирования эрозионного состояния рабочих лопаток влажно-паровых турбин целесообразно

совместно с системами оперативного контроля и диагностики эрозии лопаток последних ступеней турбоагрегатов, например с системой, разработанной ООО «Энергосервис» [9].

Таким образом, использование автоматизированной системы прогнозирования эрозионного состояния РЛ турбин АЭС и ТЭС, а также ее дальнейшее совершенствование является перспективным направлением развития систем контроля и диагностики эрозионного состояния лопаточных аппаратов влажно-паровых турбин.

Список литературы

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.

Перельман, Р.Г. Эрозия элементов паровых турбин / Р.Г.Перельман, В.В. Пряхин.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 184 с.

Фаддеев, И.П. Прогнозирование процесса эрозии рабочих лопаток судовых турбин/ И.П.Фаддеев, А.В.Лагерев // Судостроение. - 1989. - № 5. - С. 18-20.

Дергачев, К.В. Автоматизация моделирования каплеударной эрозии лопаточных аппаратов влажно-паровых турбин: дис…. канд. техн. наук: 05.13.18 / К.В.Дергачев. - Брянск, 2002. - 224 с.

Ruml, Z. Erosion von Dampfturbinen-Schaufelwerkstoffen/ Z.Ruml // Schmierungs-technik. - 1988. - V. 19. - №2. - S. 39-43.

Коростелев, Д.А. Программная реализация технологии распределенных вычислений / Д.А.Коростелев // Материалы 61-й студенческой научной конференции / под ред. И.В. Говорова. - Брянск: БГТУ, 2006. - С. 276-277.

Паровые и газовые турбины: сб. задач / под ред. Б.М.Трояновского, Г.С.Самойловича. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 240 с.

Самойлович, Г.С. Переменные и переходные режимы в паровых турбинах / Г.С.Самойлович, Б.М.Трояновский. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 496 с.

Технические разработки ООО «Энергосервис». Система оперативного контроля и диагностики эрозии лопаток последних ступеней турбоагрегатов. - http://www.energosv.spb.ru/3-3.php

Размещено на Allbest.ru