РЕЗУЛЬТАТЫ  МОДЕЛИРОВАНИЯ  НАПРЯЖЕННОГО  СОСТОЯНИЯ  ЛОПАСТИ  ПАРОВОЙ  ТУРБИНЫ  МЕТОДОМ  КОНЕЧНЫХ  ЭЛЕМЕНТОВ

Скоробогатова  Татьяна  Николаевна

канд.  техн.  наук,  зав.  кафедрой  «Управление  и  информатика  в  технических

системах»,  доцент  Балаковского  института  техники,  технологии

и  управления,  Саратовская  область,  г.  Балаково

E-mail:  skorobogatovatn@mail.ru

RESULTS  OF  MODELLING  INTENSE  CONDITIONS  OF  THE  BLADE  OF  THE  STEAM  TURBINE  METHOD  FINAL  ELEMENTS

Skorobogatov  Tatyana  Nikolaevna

cand.  Tech.  Sci.,  the  department  chair  "Management  and  informatics  in  the  technical

systems",  associate  professor  of  the  Balakovo  institute  of  equipment,  technology  and  management,  Saratov  region,  Balakovo

АННОТАЦИЯ

Целью  моделирования  является  получение  значений  деформационных  нагрузок  в  случайно  заданных  точках  для  каждой  выделенной  области.  Моделирование  проводится  методом  конечных  элементов,  позволяющим  получить  значения  нагрузок  с  достаточной  точностью.  Полученные  результаты  исследований  позволяют  определить  места  наиболее  нагруженных  участков  лопасти  и  могут  быть  использованы  для  разработки  новых  методов  проектирования  конструкций  лопастей  паровых  турбин.

ABSTRACT

The  purpose  of  modeling  is  obtaining  values  of  deformation  loadings  in  casually  set  points  for  each  allocated  area.  modeling  is  carried  out  by  a  method  of  the  final  elements,  allowing  to  receive  values  of  loadings  with  a  sufficient  accuracy.  The  received  results  of  researches  allow  to  define  places  of  the  most  loaded  sites  of  the  blade  and  can  be  used  for  development  of  new  methods  of  design  of  designs  of  blades  of  steam  turbines.

Ключевые  слова:  деформационные  нагрузки,  метод  конечных  элементов,  рабочая  лопасть,  паровая  турбина,  трехмерная  модель,  рабочее  давление,  деформация,  напряжение  по  Мизесу.

Keywords:  deformation  loadings,  method  of  final  elements,  the  working  blade,  the  steam  turbine,  three-dimensional  model,  working  pressure,  deformation,  tension  according  to  Mises.

Моделирование  является  основным  методом  исследований  во  всех  областях  знаний  и  научно  обоснованным  методом  оценок  характеристик  сложных  систем,  используемым  для  принятия  решений  в  различных  сферах  инженерной  деятельности.

Целью  исследований  является  детальное  моделирование  распределения  деформационных  нагрузок  по  лопасти  паровой  турбины  атомной  станции.  Согласно  теории  моделирования,  можно  рассмотреть  множество  вариантов  предшествующих  событий,  но  полностью  избежать  поломок  лопаток  все  —  равно  не  удастся,  существуют  факторы  старения  материала,  изменение  щелочного  состава  пара,  но  имеется  возможность  свести  к  минимальным  значениям  внешние  распределенные  нагрузки  на  лопасть  турбины  [4,  с.  212]. 

В  данном  применении  метода  конечных  элементов  используется  треугольный  конечный  элемент  с  десятью  степенями  свободы.  Выбор  данного  конечного  элемента  обусловлен  в  основном  тем,  что  он  дает  наибольшую  точность  при  относительной  своей  простоте  [2,  с.  21]. 

В  ходе  исследований  построена  модель  лопасти  паротурбины  и  произведено  наложение  треугольной  сетки  для  дальнейшего  расчета  нагрузок  при  помощи  пакета  программ  систем  автоматизированного  проектирования  Autodesk  Inventor.  Функционал  программы  позволяет  проектировать,  визуализировать  и  моделировать  различные  трехмерные  объекты  в  цифровой  среде.  В  результате  получается  так  называемый  «цифровой  прототип»,  свойства  которого  полностью  соответствуют  свойствам  будущего  физического  прототипа  вплоть  до  характеристик  материалов  [3,  с.  128].

На  рисунках  1—2  представлена  трехмерная  модель  лопасти.

Рисунок  1.  Лопасть  гидротурбины

Рисунок  2.  Лопасть  гидротурбины,  вид  сверху

Проведено  моделирование  нагрузок  имеющейся  модели  лопасти  паротурбины  при  помощи  пакета  Ansys.  Результаты  моделирования  представлены  ниже. 

Рисунок  3.  Эквивалентное  напряжение  на  лопасти  при  рабочем  давлении

Рисунок  4.  Деформация  лопасти  при  рабочем  давлении

Рисунок  5.  Главное  минимальное  напряжение  лопасти  при  рабочем  давлении

Рисунок  6.  Напряжение  по  Мизесу,  корневое  сечение

В  таблице  1  приведены  значения  деформационных  нагрузок  в  случайно  заданных  точках  для  каждой  области.  В  таблице  2  приведены  значения  главных  максимальных  нагрузок  в  случайно  заданных  точках  для  каждой  области.

Таблица  1.

Деформация  лопасти  турбины

Исследуемая  лопасть  рабочего  колеса  изготовлена  из  стали  15Х11МФ-Ш,  предел  прочности  которой  σ_в=75  кгс/мм²  [1,  с.  314].

В  результате  расчетов  получены  картины  нагрузок,  на  которых  можно  определить  области  максимальных  напряжений.  При  заданной  трехмерной  модели,  толщина  пера  лопасти  которой  изменяется  от  15  до  40  мм,  а  длина  составляет  1450  мм  лопасть  обладает  максимальным  напряжением,  возникшим  от  давления  пара  на  лопасть  паровой  турбины,  в  области  соединения  пера  с  хвостовиком  σ≈45,47  кгс/мм².

Таблица  2.

Главное  максимальное  напряжение  лопасти  турбины

Также  в  результате  расчетов  были  получены  картины,  на  которых  можно  определить  минимальное  главное  напряжение,  эквивалентное  напряжение,  деформацию  и  коэффициент  запаса  прочности.  Из  картин  видно,  что  максимальное  главное  напряжение  на  лопасти  турбины  при  заданных  габаритах  не  превышает  предела  прочности  стали  σ_в=75  кгс/мм²,  минимальное  значение  коэффициента  запаса  прочности  при  этом  составляет  0,67,  это  свидетельствует  о  том,  что  лопасть  выдерживает  приходящиеся  на  нее  нагрузки  и  разрушение  ее  материала  не  происходит  [1,  с.  315]. 

По  уровню  напряжений  и  вибраций,  полученных  при  испытании  на  установившихся  и  переходных  режимах,  как  основные  узлы,  так  и  вся  турбина  в  целом  являются  достаточно  надежными.  Наиболее  нагруженной  зоной  в  лопасти  яв­ляются  —  корневое  сечение.  В  этой  зоне  среднее  напряжение  в  лопасти  равно  35  кгс/мм².  При  полном  разгоне  до  1500  об/мин  в  лопасти  рабочего  колеса  можно  ожидать  небольшие  увеличения  напряжений,  которые,  однако,  не  являются  опасными  ввиду  высоких  прочностных  характеристик  материала  этих  деталей.  Из  модели  видно  что  наибольшее  напряжение  лопасть  испытывает  в  области  соединения  пера  с  хвостовиком,  особенно  в  краевых  местах  сопряжения,  что  вызвано  упрощением  трехмерной  модели  лопасти,  и  по  краям  пера. 

Список  литературы:

1.Бойко  А.В.,  Гаркуша  А.В.  Аэродинамика  проточной  части  паровых  и  газовых  турбин:  расчеты,  исследования,  оптимизация,  проектирование.  Харьков,  ХГПУ,  1999.  —  390  с. 

2.Норри  Д.А.,  де  Фриз  Ж.  Введение  в  метод  конечных  элементов.  М.:  Мир,  1981.  —  305  с.

3.Применение  системы  Ansys  к  решению  задач  механики  сплошной  среды.  Под  ред.  А.К.  Любимова.  Нижний  Новгород:  Изд-во  Нижегородского  Университета,  2006.  —  227  с.

4.Скоробогатова  Т.Н.  Результаты  моделирования  распределения  нагрузок  по  лопасти  паровой  турбины.  Информационные  технологии,  системы  автоматизированного  проектирования  и  автоматизации:  сборник  научных  трудов  III  Всероссийской  научно-технической  конференции.  Саратов:  СГТУ,  2011.