Energetske mašine

Parne turbine 8.1

Poglavlje 8

PRIMJENA RAČUNARA U RAZVOJU, PROJEKTOVANJU I KONSTRUKCIJI

PARNIH TURBINA 8.1. UVOD

Klasičan pristup proračunu parnih turbina, kroz proračun strujanja i razmjene energije u stupnjevima ili tubini kao cjelini, zatim mehanički proračun i dimenzionisanje pojedinih dijelova turbine, kao i dinamičko ponašanje u eksploataciji, pojednostavljuje se uvođenjem računarske tehnike i softvera, prilagođenih za dodatne optimizacione cikluse s ciljem dobijanja istovremeno efikasnih i pouzdanih i ekonomsko najprihvatljivijih rješenja. Računarska vizualizacija i animacija rezultata u 3D perspektivi omogućava lakše sagledavanje i analizu kompleksnih problema vezanih za polja brzina, temperature i mehanička naprezanja pojedinih turbinskih dijelova.

Konstrisanje i projektovanje pomoću računarske tehnike (Computer-

Aided Design - CAD), računsko proračunavanje naprezanja i dinamičkih stanja (Computional Mechanics - CM), kao i analize strujanja fluida i transportnih procesa, uz razmjenu energije (Computational Fluid Dynamics - CFD), poznati pod zajedničkim nazivom "računarima potpomognuto inženjerstvo" (Computer-Aided Engineering - CAE), zajedno sa softverskim pratećim paketima za proračun i dopunsku optimizaciju ciklusa parnih turbina, omogućavaju određivanje optimalnih veličina pojedinih parametara

Energetske mašine

Parne turbine 8.2

kako radnog fluida, tako i parametara sporednih fluida u procesu (ulje za podmazivanje, voda za hlađenje) za zadane uslove rada i performanse turbine (snaga, veličina, namjena, specifičnosti konstrukcije i sl.).

Optimizacija pojedinih procesa podrazumijeva usklađivanje većeg

broja elemenata: dobro poznavanje teoretskih postavki, izbor pogodne metode za zadani problem, podešavanje kontrolnih parametara postupka, pokretanje procesa iz različitih početnih tačaka, interaktivno izvođenje i nadziranje rada programa, kao i samu verifikaciju rezultata. Treba napomenuti, da kao i kod drugih primjena numeričkih metoda u inženjerskoj praksi vrijedi pravilo da korištenje računarske tehnike kao sofisticiranog analitičkog alata može biti opasno, ukoliko korisnik razmatrani fizikalni problem ne poznaje dovoljno dobro da može kritički procijeniti očekivani rezultat. Pri tome je od posebne važnosti dobro modeliranje zadanog problema, prilagođeno postupcima optimizacije. Dakle, optimizacija u inženjerskom smislu predstavlja postupak "maksimiziranja" ili "minimiziranja" nekog cilja u okviru raspoloživih resursa, uz zadovoljavanje ograničenja koja objektivno postoje. 8.2. OBLASTI PRIMJENE RAČUNARSKE TEHNIKE ZA PROJEKTOVANJE PARNIH TURBINA

Zbog sve veće prisutnosti softverskih paketa na tržištu za šira sagledavanja svojstava parne turbine kao kompleksnog tehničkog sistema, uz mogućnost tretiranja njene strukture na bazi velikog broja provjera, korišćenje računarske tehnike postaje svakim danom sve popularnije. Upravo, ograničenje klasičnog načina projektovanja koje izvodi čovek bez primjene računara, prevaziđena su u smislu pronalaženja većeg broja kritičnih lokacija i njihove provjere kroz simulaciju rada parne turbine. Pri tome, obuhvaćene su sljedeće grupe aktivnosti:

a) analiza opterećenja konstrukcije parne turbine (Load Analysis) i

njihovo optimalno definisanje po usvojenim kriterijumima (dinamičkih pojava u toku rada, promjena opterećenja, havarijskih stanja, slučajnih uticaja, kombinacija dejstava i sl.);

Energetske mašine

Parne turbine 8.3

b) proračun kompaktnih veza za sklopove visokog stepena integracije komponenata kao što su spojnice, ležajevi i drugo, a odlikuju se kontaktnim naprezanjima;

c) proračun dinamičkih svojstava konstrukcija (podrazumijeva određivanje sopstvene frekvencije i sopstvenih oblika oscilovanja kod turbina);

d) proračun pogonske čvrstoće pojedinih mašinskih dijelova (odnosi se na proračun čvrstoće zavara, zamor materijala i prslinu u konstrukciji);

e) proračun kinematike mašinskih sistema (proračuni putanja različitih mehanizama, raznih prenosnika snage i pokretnih nosećih struktura), pri čemu se specijalizovana grafička oprema računara koristi za brža i pouzdanija izračunavanja kinematskih rešenja i omogućuje vizuelnu 3D kontrolu;

f) optimizacija konstrukcija, radi ostvarivanja specifičnih osobina konstrukcija (uslov minimuma kod sinteze geometrije lakih konstrukcija) pri čemu tehničke projekte konstrukcija prate jednociljni i višeciljni zadaci optimizacija sa brojnim ograničenjima (za projektovanja sa više optimalnih ciljeva koristi se Pareto koncept, radi njegove prednosti nad klasičnim konceptima u istovremenoj sintezi geometrije konstrukcije po nekoliko tehničkih osnova);

g) proračun pouzdanosti, kao kvalitet upotrebljivosti sklopa, mašine ili sistema parne turbine u širem smislu (kod parnih turbina proračun pouzdanosti je redovan, a često i osnovni zadatak projektovanja odgovornih i važnih njenih dijelova).

Proces projektovanja elemenata parne turbine, bilo na klasičan način

ili uz korišćenje računarske tehnike, predstavlja nalaženje naučno opravdanog tehničkog rešenja koje se praktično može realizovati, a da pri tome zadovolji i ekonomske kriterijume, pri čemu proces definisanja prihvatljivog rješenja obuhvata u užem smislu funkcionalni, sadržajni i konstruktivni aspekt. U slučaju postavljanja zahtjeva za traženje optimalnih svojstava, pouzdanosti pojedinih komponenti kritičnih sa aspekta pojave otkaza (lopatični aparat, npr.) i funkcija, kao i drugih specifičnih svojstava, proisteklih na osnovu mjesta i uloge parne turbine u okviru višeg hijerarhijskog sistema elektrane, projektovanje ima kompleksniji sadržaj.

Energetske mašine

Parne turbine 8.4

Nakon projektovanja, sljedeći korak predstavlja konstruisanje tehničkog sadržaja, kao definitivnog oblikovanja konstrukcije, kojim se definišu: geometrija (karakteristične dimenzije), materijal, način montaže, tolerancije, hrapavost i sl. Proces konstruisanja vrši se na osnovu dobijenih rezultata iz faze projektovanja, čime se precizira konačno rešenje konstrukcije, a kao rezultat nastaje konstrukciona dokumentacija, slika 8.1. Dalji tok korišćenja konstrukcione dokumentacije (slika 8.1) odvija se kroz pripremu za proizvodnju i ta djelatnost više ne pripada projektovanju i konstruisanju, već tehnološkoj pripremi. Iz tehnološke pripreme nastaje radionička dokumentacija (pored konstrukcione dokumentacije), koja sadrži i tehnološku dokumentaciju. Tehnološku dokumentaciju čine: dokumentacija opreme i alata za proizvodnju, dokumentacija kontrole kvaliteta i dokumentacija izvršenih ispitivanja.

CIM

PROJEKTOVANJE KONSTRUISANJE

CAD

TEHNIČKA I OPERATIVNAPRIPREMA PROIZVODNJE

PROIZVODNJA

CAPCAM

BAZA (BANKA) PODATAKA

IDEJE, STUDIJE,

PRIJEDLOZI,SUGESTIJE

ANALOGNA POSTROJENJA,

TEORIJA SLIČNOSTI

Slika 8.1. Aktivnosti nastanka proizvoda podržane računarskom tehnikom

Postupak uvođenja računara uslovljen je formiranjem baze podataka do nivoa radioničke dokumentacije prizvoda. Aktivnosti projektovanja i konstruisanja korišćenjem računarske tehnike poznate su u stručnoj javnosti pod nazivom: Computer Aided Design - CAD. Skraćenica CAD, koju je predložio T. D. Ross (USA), uvedena je 1979. godine u zvaničnu terminologiju, kao simbol tehnologija projektovanja računarom.

Energetske mašine

Parne turbine 8.5

Uvođenje računara moguće je i u oblasti pripreme proizvodnje (Computer Aided Planing - CAP), kao i same proizvodnje (Computer Aided Manufacturing - CAM). Prednosti od uvođenja CAD tehnologija pri projektovanju parnih turbina su:

viši nivo kvaliteta (tačnost, finoća), realizacija najobimnijih i dugotrajnih zadataka, uz oslobađanje

projektanta od pratećeg rutinskog rada pri projektovanju, vizuelna interpretacija forme, koja omogućuje prije izrade, ocjenu

funkcionalnih i estetskih vrijednosti pojedinih elemenata, podsklopova, sklopova i parne turbine u cjelini,

omogućavanje specifičnih analiza (proračuni lokalnih napona kod brzih procesa i složenih struktura), iz čega slijedi poboljšanje pojedinih elemenata, podsklopova, sklopova i turbine u cjelini prije izrade,

omogućavanje brze izrade tehničke baze podataka, počevši od tehničkih crteža do tehnoloških instrukcija za automatizovanu izradu (CNC mašine za obradu),

široko integrisana proizvodnja računarom (Computer Integrated Manufacturing - CIM).

Osnovni proizvod koji nastaje u fazi projektovanja je konstrukciona

dokumentacija. Kod klasičnog projektovanja, ona se formira na papiru i dalje distribuira kroz tehničku pripremu u proizvodnju, dok kod primjene računara u projektovanju, tok je isti, samo je dokumentacija prisutna na različitim medijumima. Konstrukciona dokumentacija se realizuje u sledećim etapama (slika 8.2): postavljanje zadatka, prikupljanje i analiza informacija, sastavljanje tehničkog prijedloga, izrada idejnog, glavnog (tehničkog) i izvedbenog projekta, uz prateću izradu tehničke dokumentacije.

Projektovanje, uz korišćenje računarske tehnike, predstavlja

automatizovan proces, različitog stepena automatizacije. Najčešće je proces projektovanja u dijalogu, a kod rutinskih zadataka, samo izvršni, pri čemu način projektovanja zavisi od poslova i od raspoloživih uslova (softvera i hardvera). Analiza složenih tehničkih objekata u projektovanju, kakve su parne turbine, vrši se prema tehničkim aspektima i hijerarhijskim nivoima.

Energetske mašine

Parne turbine 8.6

PROJEKTNI ZADATAK

SAKUPLJANJE I OBRADA INFORMACIJA

I N F O R M A C I J E

TEHNIČKI PRIJEDLOG

PROJEKAT

- generalni plan;- idejno rješenje (projekat);- glavni projekat;- izvedbeni projekat;- projekat izvedenog stanja

T E H N I Č K A D O K U M E N T A C I J A

Slika 8.2. Etape nastanka konstrukcione dokumentacije

Tehnički aspekti definišu funkcionalna, konstruktivna, tehnološka i eksploataciona svojstva pojedinih elemenata ili sklopova parnih turbina. Funkcionalni aspekt definiše osnovnu funkciju ili proces rada (pretvaranje potencijalne energije pare preko kinetičke energije u mehanički rad obrtanja vratila rotora turbine). Konstruktivni aspekt definiše sadržaj i formu turbinskog postrojenja (TVP, TSP, TNP). Tehnološki aspekt definiše tehnološku moć objekta (specifična potrošnja toplote, instalisana snaga, SKD), vrste procesa izrade (lijevani, kovani, vareni) i drugo. Eksploatacioni aspekt definiše ponašanje parne turbine u eksploataciji u okviru same elektrane, diktiran od strane višeg hijerarhijskog elektroenergetskog sistema. Složenost parne turbine je vrlo velika, pa je neophodno da u okviru svakog aspekta postoje jasni hijerarhijski nivoi: parna turbina kao cjelina, funkcionalni podsistemi (noseća konstrukcija, pogonski uređaji, komandni uređaji, itd.), dijelovi podsistema (sklopovi) i dijelovi sklopova (elementi, podsklopovi).

Prema hijerarhijskim nivoima, projektovanju se pristupa po različitim

osnovama, pri čemu ono može biti izvedeno procedurama sinteze i procedurama analize. Danas se obe metode koriste u projektovanju računarom (CAD). U klasičnom projektovanju (bez upotrebe računara), metode sinteze koriste se selektivno prema izgrađenom znanju i uhodanom inženjerskom pristupu.

Energetske mašine

Parne turbine 8.7

Procedure sinteze polaze od zadatih svojstava parne turbine, njene funkcije u okviru višeg hijerarhijskog sistema, nominalnih radnih parametara (parametri svježe pare, pritisak u kondenzatoru, instalisana snaga, stepen iskorišćenja, protok svježe pare na ulazu u turbinu, protok izrađene pare na izlazu iz TNP i sl.), a završne aktivnosti daju geometriju i konstruktivnu izvedbu.

Procedure analize polaze od pretpostavljene geometrije konstrukcije

parne turbine i koriste je za analizu po različitim osnovama (tipske konstrukcije) i na različitim hijerarhijskim nivoima (elektrane, pogonski uređaji i sl.), a kao rezultat dobija se ispravnost početnog konstruktivnog opisa objekta i mogućnost njenog korišćenja u konkretnom slučaju, slika 8.3.

ZAHTJEVI I CILJEVIOSOBINE KONSTRUKCIJA

OPTEREĆENJASTATIČKO, DINAMIČKO, TERMIČKO,

HEMIJSKO, MEHANIČKO I SL.

MEHANIČKI MODELPRORAČUN OSOBINA

OCJENA REZULTATAPROTOTIP, LABORATORIJSKA ISPITIVANJA, PROBNI POGON

KONAČNO RJEŠENJE KONSTRUKCIJE

KRITERIJUMI ZA OCJENU

KONSTRUKCIJA

MODIFIKACIJA MODELA

CAD MODELOPIS KONSTRUKCIJE

BAZA (BANKA) ULAZNIH

PODATAKA(ISKUSTVO)

Slika 8.3. Koncept korišćenja metoda analize u projektovanju

Pri tome se, na početku projektovanja metodama analize dobijaju rješenja zasnovana na proizvoljnim pretpostavkama, koja zato mogu i najviše odstupati od kriterijuma koji su zadati sa prethodnog hijerarhijskog nivoa. Ovakva rješenja ne mogu biti verifikovana, uz poznate kriterijume

Energetske mašine

Parne turbine 8.8

koji nisu zadovoljeni, pa se prema njima vrši korekcija za novu analizu (iterativan proces ili proces postepenih približenja zadatom rješenju).

Kod klasičnih postupaka projektovanja, verifikacija se izvodi uvijek

prema specifičnim elementima konstrukcije, dok kod projektovanja računarom (CAD), potrebna je nešto opštija logika, koja bi važila za svaku problematiku u istoj klasifikacionoj grupi (kategoriji) parnih turbina (protivpritisne parne turbine, kondenzacione parne turbine, parne turbine za SPETE, parne turbine za nuklearne elektrane, parne turbine za pogon brodova i sl.). 8.3. PRORAČUN STRUJANJA RADNOG FLUIDA

Proračun strujanja fluida i konvektivnih transportnih procesa (Computational Fluid Dynamics - CFD), pored numeričkih metoda za rješavanje sistema diferencijalnih jednačina, zahtijeva i određene aproksimacije i prateće modele. Osnov za rješavanje velikog broja algebarskih jednačina nakon diskretizacije (svođenje izvornih diferencijalnih jednačina konzervacije iz poglavlja 2 na diferencijalni oblik) za usvojenu numeričku mrežu (domen strujanja od interesa) predstavlja algoritam u okviru CFD paketa. Pored numeričkog rješavanja jednačina kretanja, kontinuiteta i energije za date uslove i protočni dio turbine (termodinamički i strujni procesi), ovi paketi podrazumijevaju i analizu i raznih fizikalnih fenomena (hemijskim procesi korozije, erozija i druge hemijske reakcije), slike 8.4 i 8.5.

Neizbježni dio CFD paketa su i matematički modeli različitih

fizikalnih procesa, kao aproksimativni algoritmi kojima su matematički predstavljeni određeni procesi, fenomeni ili interakcije, a koji nije moguće egzaktno definisati ili imaju izuzetno složene sisteme jednačina, za čije klasično izračunavenje bi bilo potrebno veliko vrijeme, uz prateće korišćenje velike računarske memeorije (modeli turbolencije, modeli međufaznih interakcija isparavanja i kondenzacije u dvo ili višefaznim fluidima i sl.). Određivanje nivoa kompleksnosti za pojedine matematičke modele pojedinih fenomena, zavisno od trenutačnog stanja razvoja i raspoloživosti računarske tehnike, determiniše i njihovu "numeričku" osjetljivost, tj. predstavlja trenutni kompromis izmeđi mogućnosti proračuna

Energetske mašine

Parne turbine 8.9

kompleksnih problema na raspoloživim računarima i u raspoloživom vremenu na jednoj strani i tačnosti odnosno vjerodostojnosti proračuna na drugoj strani, 163 .

Slika 8.4. Prikaz erozionog procesa i njegove geometrijske lokacije (linije

obuhvata) na turbinskim lopaticama trubina, GE Power Systems

Slika 8.5. Prikaz erozionog procesa i njegove geometrijske lokacije (linije

obuhvata) na turbinskim lopaticama turbina sa gušćim (zbijenim) rasporedom, GE Power Systems

Energetske mašine

Parne turbine 8.10

Osim izvršnih dijelova, svaki CFD paket sadrži i preprocesor i postprocesor, kojima se generiše numerička mreža, definišu granični, ulazni i izlazni uslovi (preprocesor) i vrši obrada dobijenih rezultata (postprocesor). Pod obradom dobijenih rezultata podrazumijeva se odgovarajuće usrednjavanje, izračunavanje integralnih parametara, kao i prikaz rezultata u grafičkom obliku (kontura profila na bazi dobijenih vrijednosti promjenljivih varijabli, izo-konture, strujne linije, trajektorije, polja brzina, temperature i koncentracije napona u nijansnim bojama, animacija s ciljem dinamičke vizualizacije strujanja i procesa i sl.). Na tržištu su danas u ponudi veliki broj CFD paketa različitih proizvođača (FLUENT, ANSYS, StarCD, AVL-FIRE and AVL-SWift, NUMECA, ADINA, EXE, Rohr 2 Alstom, AxSTREAM SoftInWay i drugi), po sistemu "User Friendly", zatim u formi komercijalnih paketa, kao i paketa za univerzitet i visokoškolske ustanove ("In - House" paketi).

Metodologija generisanja trodimenzionalne numeričke prostorne

mreže uglavnom je zasnovana na rješavanju eliptičkih parcijanih difrencijalnih jednačina, pri čemu se počinje matematičkom postavkom, kojom se mapira pravougaoni kartezijanski računski domen fizičkim domenom. Kao u glavnim zakonima održanja, jednačine generisanja mreže su linearizovane u cilju opisa računskog domena, potom se diskretizacionom šemom dobije rješenje obe mreže. Pri tome, nameće se ograničenje da računska mreža bude zgusnuta u regionima u kojima se očekuju veliki gradijenti strujnih veličina zakona održanja. Za analizu viskoznih strujanja to su regioni blizu graničnih površina tijela u struji. Takođe, familija linija računske mreže, koja je grubo upravna na računske linije, koje odgovaraju granicama geometrijskog tijela (solida), trebalo bi da je približno ortogonalna na granicama fizičkog čvrstog tijela (uvođenje veličina nehomogenosti). Primjer korišćenja StarCD i FLUENT-a kao modernih komercijalnih softverskih CFD računarskih mreža (solvera), dat je na generisanju računarske mreže kod turbinskih i kompresorskih lopatica. Pri tome je korišćen postupak, u Star-CD "Implicit Multiple Reference Frame - IMRF" sa verzijom "k −ε" modeliranja turbulencije za dobijanje relevantnog aerodinamičkog ponašanja game mašine i "Single Reference Frame - SRF" modela turbulencije "Large Eddy Simulation - LES" u FLUENT-u, za hvatanje aeroakustičkog imputa. Strukturne računske mreže, izgrađene za Star-CD su daleko veće (oko 250000 ćelija) od nestrukturnih (oko 50000 ćelija).

Energetske mašine

Parne turbine 8.11

Postoji više načina za numeričko rešenje prethodno opisanih transformacija između računskog i fizičkog domena (algoritam nadrelaksacije "Successive Over Relaxation - SOR", kao varijacija Gauss-Seidel iterativnog algoritma sa nadrelaksacionim faktorom za ubrzavanje numeričke konvergencije). Pri tome se za ubrzanje numeričke konvergencije mogu koristi različiti programi (npr. tehnika za ubrzanje poznata kao "Coarse - Fine Sequencing - CFS").

Numerička procedura u generatoru mreže obuhvata realizaciju određenih koraka:

a) zadavanje graničnih uslova, kroz zadavanje "x" i "y" lokacija

tačaka mreže na površini aeroprofila, kao i aksijalnog opsega ulazno/izlaznih granica struje;

b) inicijalizacija distribucije unutrašnjih tačaka, zasnovana na graničnim vrijednostima i geometrijskim parametrima, pri čemu se radi jedna inicijalna pretpostavka za tačke unutrašnjeg prostora;

c) proračun osnovnih veličina, uz korišćenje mreže određene u tekućoj n-toj iteraciji, i korisnički zadanim konstantama (zgusnutost i ortogonalnost);

d) ažuriranje lokacije tačaka mreže (primjenom SOR šema, izračunavaju se lokacije tačaka mreže u (n+1)-ovom iteracijskom nivou, pri čemu redoslijed izvođenja obuhvati unutrašnje tačke, pa periodične granice, a zatim konektivne granice i na kraju ulazne/izlazne granice;

e) kontrolisanje konvergencije, tj. određivanje da li rješenje konvergira sa zadatom konvergencijom.

Ako je zadata konvergencija dostignuta, mreža se generiše, a ako nije,

postupak se vraća na tačku datu pod c) i vrši nastavak iterativnog postupka. Iako generator mreže konstruiše trodimenzionalne mreže, lopatice

parnih turbina se uglavnom definišu pomoću većeg broja dvodimenzionalnih profila, uz dopunski dizajn lopatičnog sistema. Najrealističniju geometriju turbinskih i kompresorskih lopatica daje zatvorena O - mreža, obezbjeđujući najbolji kvalitet mreže sa minimalnim brojem računskih čvorova, slika 8.6.

Energetske mašine

Parne turbine 8.12

Pri tome, O - familija mrežnih linija okružuje aeroprofil, što dozvoljava veću zgusnutost mrežnih tačaka blizu aeroprofila, bez trošenja resursa na tačke u daljini i peridičnim granicama. U isto vrijeme, radijalna familija mrežnih linija mnogo prirodnije održava ortogonalnost sa površinama aeroprofila u dubini računskog domena. Takođe, realni aeroprofili imaju konačne radijuse na prednjoj i zadnjoj ivici lopatice, koje se lako razrješavaju pomoću O - mreže. Regioni ulazne i izlazne granice O - mreže nastavljaju se H - mrežom, pa se ova mreža zato naziva zatvorena O - mreža. Produžetci H - mreže omogućavaju korisniku da održava adekvatnu mrežnu gustinu u udaljenim regionima.

a) multiblokovska računska mreža

b) uvećani pogled prednje ivice lopatice

c) uvećani pogled zadnje ivice lopatice

Slika 8.6. Primjer zatvorene O - mreže

Energetske mašine

Parne turbine 8.13

Dobra rezolucija fluidnog polja u udaljenim regionima je vrlo važna za simulaciju nestacionarnih struja zato što su često osobine u udaljenju od posebnog intresa. Detalj na vrhu slike 8.6 pokazuje rezultujuću računsku mrežu, dok detalj na dnu pokazuje uvećani pogled na prednju i zadnju ivicu lopatice. Ovaj pogled ilustruje efektnost funkcija zgusnutosti i ortogonalnosti ugrađenih u veličine nehomogenosti. Za kalkulaciju viskoznosti potrebno je 10 do 15 čvorova u graničnom sloju, čime se obezbjeđuje tačno predviđanje rezultujuće razmjene toplote i trenja ljuski, ako pri tome nisu korišćene funkcije zida.

Da bi se dobila željena rezolucija graničnog sloja, korisnik samo treba

da ocijeni debljinu graničnog sloja i zada, raspodjelu u blizini zida "Near Wall Spacing - NWS", tako da y+ vrijednost leži između 0,1 i 0,2, zavisno od izabranog modela turbulencije. Slučaj kada O - mreža nije optimalna predstavlja praćenje traga iza aeroprofila.

Bolji rezultati se dobijaju sa zatvorenom C - mrežom, slika 8.7.

Takođe, C - mreža ima prednost u odnosu na O - mrežu kada aeroprofil ima klinastu definiciju zadnje ivice. Dok stvarni profili tipično nemaju oštre izlazne ivice, često analitički opisana geometrija ili test slučajevi imaju oštre ivice. Takođe, topologija varijabilne C - mreže bi se uzela i za radijalne lopatice zbog oštrih ivica.

Prethodna slika pokazuje zatvorenu C - mrežnu topologiju za isti

aeroprofil opisan slikom 8.6, pri čemu treba napomenuti kako je za isti broj čvorova u regionu od lopatice do lopatice kao u O - mreži, prisutno dvostruko više tačaka mreže u periodičnom regionu niz struju.

Dodatna računska mreža se može odbaciti ukoliko evolucija traga

profila nije od posebog interesa. Kako se ortogonalnost mrežnih linija ne prostire u daljinu kao kod O - mreže, postoji veće smicanje između familija mrežnih linija, što povećava veličinu numeričke greške. Visok nivo smicanja mreže ima efekat povećanja ugla postavljanja profila. Dok je kod O - mreže jednak, opšti kvalitet mreže se ovde pogoršava, kao što i sporije raste.

Energetske mašine

Parne turbine 8.14

a) multiblokovska računarska mreža

b) uvećani pogled prednje ivice c) uvećani pogled zadnje ivice

Slika 8.7. Primjer zatvorene C - mreže

Najčešće trenutno korišćena topologija koja se koristi u simulacijama turbomašinskih strujanja predstavlja standardna H - mreža, čija popularnost potiče od njene jednostavnosti u generisanju mreže i računu sa strujnim solverom, slika 8.8. Dok je ova topologija korisna u određenim slučajevima kao što je neviskozno strujanje oko aeroprofila sa malim uglovima postavljanja profila, potrebno veće računsko vrijeme i manja tačnost, čini H - mrežu neatraktivnom za viskozna strujanja oko realističnih geometrija.

Prikaz jedne H - mreže za referentni aeroprofil dat je na slici 8.8. Kvalitet mreže je degradiran u poređenju sa prethodno diskutovanim O i C

Energetske mašine

Parne turbine 8.15

mrežama, pri čemu se ortogonalnost mreže može održati jedino oko aeroprofila. Smicanje između dviju familija mrežnih linija je veoma naglašeno.

Takođe, potreba za zbijenošću tačaka u blizini viskoznih površinama

aeroprofila rezultuje prekomjernom rezolucijom u daljini i periodičnim granicama. Uz struju, dodatne mrežne tačke poduž periodičnih granica nepotrebno troše kompjuterske resurse, jer nisu locirane u regionu visokih strujnih gradijenata.

a) multiblokovska računska mreža

b) uvećana prednja ivica lopatice

c) uvećana zadnja ivica lopatice

Slika 8.8. Primjer H - mreže

Energetske mašine

Parne turbine 8.16

Praktično generisanje mreže obuhvata realizaciju određenog algoritma. Kao polazna tačka konstruisanja mreže uzima se ubacivanje neke vrste spoljnih podataka za definisanje granica fluidne struje i geometrije aeroprofila, pri čemu oni mogu biti u formi opisa površi zapisanih u CAD paketu ili individualne lokacije tačaka snimljene u spoljnoj datoteci. Važnost pripreme spoljnih datoteka ne može se prenaglasiti, jer je kvalitet rezultujuće mreže direkto povezan sa kvalitetom externih CAD i/ili spoljnih korisničkih podataka. Podrazumijeva se da su CAD površine i/ili spoljne lokacije tačaka visokog kvaliteta, iako nisu savršene.

Generisanje mreže korišćenjem eksternih geometrijskih podataka

obuhvata:

organizaciju strujne putanje (glavčina ili vratilo, kućište ili oklop, ulaz i izlaz struje), radijus (R) i aksijalne (Z) lokacije u četri odvojene datoteke;

organizaciju svakog profila, "X", "Y", "Z" koordinate datih sekcija aeroprofila (od glavčine do kućišta);

ubacivanje podataka strujnog puta u generator mreže korišćenjem Set Flowpath Definition panela u grafičkom interfejsu;

generisanje definicije strujnica koristeći Set Streamline Definitions panel 5.

Generisanje trodimenzionalne mreže korišćenjem Define Parameters /

Generate Mesh panela podrazumijeva postojanje prethodno izrađenih komandnih skriptova, slika 8.9. Po ugrađenom algoritmu, sračunate mrežne ćelije u cilindarskim presjecima, automatski se spajaju u trodimanzionalni set, misleći da se radi o pravim lopaticama, te se dobiju zakrivljene prizmatične ćelije, problematične u daljem numeričkom postupku.

Drugi tip, koji predstavlja kombinovanu mrežu heksaedarskih ćelija

oko lopatica i tetraedarskih u udaljenju, može da obuhvati cijelu oblast ispitivanja, slika 8.10. Ovo je i moderan koncept upravo iz razloga što lako popunjava geometrijski složene računske zapremine. Strukturna mreža predstavlja optimalnu izbornu varijantu za analizu pravih lopatica aksijalnih mašina.

Energetske mašine

Parne turbine 8.17

Slika 8.9. Strukturna 3D mreža jedne izvijene

konstrukcije

Izvijanje je, međutim, koncept koji zasad nije dovoljno obrađen, kao ni

algoritmi gradnje strukturnih mreža ovakvih lopatica (rješenje je izgradnja sopstvenog generatora strukturne mreže).

Ovakve mreže su izgrađene za cijelu oblast variranog izvijanja i primijenjene u FLUENT solveru. Nema unive-rzalnog modela turbulencije, koji je prihvatljiv za sve klase problema.

Izbor modela turbulencije

zavisi od određenih preduslova, kao što su: fizička neodređenost strujanja, usvojene prakse za specifičnu klasu problema, nivo zahtijevane ili potrebne tačnosti, raspoloživi kompjuterski resursi, ukupno vrijeme dozvoljeno za simulaciju i slično.

Slika 8.10. Izgled jedne slobodne

nestrukturne mreže (pokazane su samo ćelije na lopatici i glavčini)

Energetske mašine

Parne turbine 8.18

Da bi se odabrao najprimjereniji model u konkretnoj primjeni, treba razmotriti mogućnosti i ograničenja različitih opcija. Uobičajeno u CFD, te i FLUENT i StarCD, raspoloživi su sljedeći modeli turbulencije:

- laminarno strujanje, - Spalart-Allmaras model turbulentnog strujanja, - k-epsilon model, - k-omega model, - Reynolds Stress model, i u novije vreme - Large Eddy Simulation (LES) model.

"Large Eddy Simulation - LES" model karakteriše turbulentno

strujanje vrlozima različite veličine i trajanja. Najveći od njih su tipično uporedivi po veličini sa karakterističnom dužinom glavnog strujanja. Najmanji pak odgovaraju disipaciji kinetičke energije turbulencije. Teorijski je moguće direktno riješiti ceo spektar turbulentnih promjena, korišćenjem pristupa poznatog kao "Direct Numerical Simulation - DNS". DNS pristup, međutim, nije podesan za praktične inženjerske probleme.

Konvencionalni pristup u simulaciji strujanja je rješavanje

Rejnoldsovih osrednjenih Navije-Stoksovih jednačina (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS). U RANS pristupu, sva turbulentna kretanja su modelirana, rezultujući u olakšanom računanju. Konceptualno, LES je smješten negde između DNS i RANS pristupa. Pri tome, veliki vrtlozi se razrješavaju direktno u LES, dok se mali modeliraju. Suština LES bi se mogla sumirati na slijedeći način:

- moment, masa, energija i pasivni skalari se transportuju uglavnom velikim vrtlozima,

- veliki vrtlozi su zavisniji od problema (diktirani su geometrijom i uslovima na granicama),

- mali vrlozi su manje zavisni od geometrije, izotropniji su i konsekventno univerzalniji,

- šansa da se nađe univerzalni model je mnogo veća, ako se modeliraju samo mali vrtlozi.

Računajući samo velike vrtloge i modelirajući male, dobija se mnogo

manje restriktivniji zahtjev za mrežnom rezolucijom nego u slučaju DNS

Energetske mašine

Parne turbine 8.19

pristupa. Tipično, veličina mreže za LES je jedan red veličine manja nego kod DNS. Dalje, veličina vremenskog koraka će biti proporcionalna vremenu za koje se vrtlog jednom okrene "Eddy-Turnover Time", što je mnogo manje ograničavajuće nego kod DNS pristupa.

Na slikama 8.11 i 8.12, plavo i crveno su označene granice ulaza i izlaza struje u računski domen respektivno, svjetlo plave su periodične granice i sivo su zidovi na glavčini i kućištu, kao i sama lopatica. FLUENT model izgleda slično, izuzev što nema stacionarnih domena ispred i iza kola.

Slika 8.11. Granice računskog prostora

u Star-CD modelu Slika 8.12. Granice računskog prostora u FLUENT modelu

Dakle, generisanje mreže zahtijeva određeno iskustvo i poznavanje

osnovnih principa mehanike fluida (prethodna procjena karaktera strujanja), s ciljem dobijanja potrebne njene finoće i pokrivanja oblasti strujanja u kojima se očekuju najveći gradijenti brzine, temperature, naprezanja i sl., slika 8.13.

Izrada mreža predstavlja dugotrajan posao (do 50% ukupnog vremena

potrebnog za proračun). Generisanje mreže na izlaznom (izduvnom) dijelu turbine instalisane snage od 360 MW prikazano je na slici 8.14.

Energetske mašine

Parne turbine 8.20

Slika 8.13. Geometrija i numerička mreža na površini

turbinskih lopatica bez bandaže

Slika 8.14. Prikaz generisanja računarske mreže na izlaznom (izduvnom) dijelu parne turbine

8.4. PRORAČUN POJEDINIH KONSTRUKTIVNIH DETALJA

Najčešća primjena CFD paketa je kod proračuna pojedinih turbinskih

elemenata: lopatičnog aparata, profiliranja turbinskih diskova, analiza prostornog stanja naprezanja u diskovima, rotoru i lopaticama, ulaznih i izlaznih kanala i sl. Za nešto jednostavnije jednostepene energetske mašine,

Energetske mašine

Parne turbine 8.21

kao što su centrifugalni kompresori, pumpe i ventilatori, simuliraju se i proračunavaju strujanja u kompletnim mašinama, uključujući rotorske lopatične rešetke i njihovu interakciju sa statorskim rešetkama. Na osnovu ovakvih analiza strujanja, praćenih određenim gubicima energije, moguća je optimizacija konstrukcije i ponavljanje procesa do dobijanja željenih performansi mašine.

CFD pruža mogućnost izračunavanja i vizualizacije brzina,

temperature, naponskih stanja, naprezanja ili nekih drugih promjenljivih veličina. Na slici 8.15 dat je primjer 3D analize temperaturnog polja unutrašnjeg cilindra za Siemens-ov longitudinalni presjek kućišta BB44FA.

a) longitudinalni presjek BB44FA b) 3D temperaturni profil

Slika 8.15. Prikaz rezultata 3D modeliranja iz 2003. godine, Siemens Power Generation

Slična analiza za kućište TNP data je i na slici 8.16, realizovana od

strane General Electric-a. Rezultati dobijeni ovim analizama se daju i trodimenzionalno, s ciljem što efikasnijeg uočavanja određenih fenomena strujanja radnog fluida u turbinskom postrojenju.

Slika 8.17 prikazuje rezultate sprovedene analize modeliranja turbine

sa dva kućišta instalisane snage 700 MW, pogodne za rekonstrukciju turbinskih postrojenja čiji životni vijek se nalazi u dijelu donošenja odluke o njihovoj revitalizaciji, rekonstrukciji i modernizaciji, a čija snaga se kreće

Energetske mašine

Parne turbine 8.22

od 100 do 700 MW. Pri tome je posebno efikasan koncept modularnog poboljšanja pojedinih segmenata turbinskog postrojenja.

Slika 8.16. 3D prikaz budućeg izgleda dijela TNP, General Electric Company

Energetske mašine

Parne turbine 8.23

a) HE parna turbina

b) KN parna turbina

Slika 8.17. Dizajniranje moderne turbine sa dva kućišta instalisane snage 700 MW, Siemens AG

Sličan koncept dat je i na slici 8.18 pri razvoju potpuno nove

koncepcije dvocilindrične turbine, gdje primjena CFD tehnologije omogućava uvođenje nekoliko bitnih konstruktivnih novina, koje za rezultat imaju poboljšanje stepena iskorišćenja turbinskog postrojenja u cjelini.

Korišćenje CFD tehnologija može poslužiti i za otkrivanje određenih

nepravilnosti u samom strujanju, slika 8.19. Slika pokazuje putanje fluida oko vrhova vitoperih turbinskih lopatica. Same putanje su vizualizirane

Energetske mašine

Parne turbine 8.24

puštanjem tzv. neutralnih čestica, koje imaju istu gustinu kao radni fluid, u izabranom uzvodnom presjeku, koje vizualiziraju proces strujanja.

a) TSP unutrašnje kućište b) rotor TSP i TNP kao cjelina

c) TNP izlazni dio

d) 3D lopatice sa bandažom

e) longitudinalni presjek TSP i TNP modela E- turbine, sa materijalima

iz tabele 6.7

f) simulacija istjecanja iz izlaznog

dijela

g) TSP spoljašnje kućište h) TSP rotor i) TNP rotor

Slika 8.18. Prikaz modularnog koncepta nove E - turbine korišćenjem računarske tehnike, Siemens AG

Energetske mašine

Parne turbine 8.25

Nije teško uočiti da fluid pretiče preko vrhova lopatica iz zone višeg u zonu nižeg pritiska, što nije povoljno, jer se na taj način raspoloživa energija radnog fluida ne koristi u potpunosti. Moguća poboljšanja u ovom slučaju idu u pravcu promjene konstrukcije vrha lopatica, zatim kroz smanjenje veličine zazora između lopatica i kućišta turbine, a optimizacija se realizuje uz korišćenje CFD proračuna.

Slika 8.19. Prikaz trajektorije fluida oko vrhova turbinskih

lopatica bez bandaža, sa preticanjem fluida,

ANSYS CFX, 2004. god.

Prikaz dobijenih rezultata polja pritiska i temperatura, kao i prostiranja

vibracija dobijenih CFD proračunom dat je na slici 8.20. Ovakvi prikazi rezultata omogućavaju dobijanje slike o pojedinim fenomenima koji prate proces strujanja radnog fluida u turbinskom postrojenju, a koji se jedino mogu dobiti u okviru laboratorijskih ispitivanja.

Slika 8.20. Prikaz rezultata dobijenih na

primjeru za nastrujavanje fluida na

površinu turbinskih lopatica (lijevo polje

pritiska i temperature, desno vibracije), ANSYS

CFX, 2004. god.

Na kraju, dati su neki primjeri primjene CFD na razvoju potpuno novih parnih turbina snage, kakva je turbina snage oko 907 MW sa pet

Energetske mašine

Parne turbine 8.26

kućišta, ugrađena u TE VEAG u Boxbergu u Njemačkoj, slika 8.21 ili postrojenje parne turbine snage 1100 MW sa slike 8.22.

Slika 8.21. Model Siemens-ove petokućišne parne turbine instalisane snage 907 MW, ugrađene u TE VEAG, Boxberg, Njemačka

Slika 8.22. Model postrojenja parne turbine instalisane snage 1100 MW

Energetske mašine

Parne turbine 8.27

Pri tome stepen efikasnosti turbine sa slike 8.21 iznosi 94,2% za TVP i 96,1% za TSP, a kao glavne novine predstavljaju vitopere lopatice, koje su primjenjene čak i u dijelu TSP. Dio TSP je pri tome posebno podešen promjeni specifičnog protoka fluida duž lopatice (poboljšanje od oko 2% u stepenu iskorišćenja turbine), slika 8.23.

Slika 8.23. Analiza strujanja kroz stupnjeve sa

fokusom na preticanje fluida i njegovo hvatanje u

komorama labirintnih zaptivača

Na slici 8.24 dat je prikaz modula visokopritisnog dijela turbine sa

aksijalno radijalnim ležajnim blokom, dok slika 8.25 daje prikaz proračuna parovoda korišćenjem Alstomovog softverskog paketa Rohr 2.

Slika 8.24. Visokopritisni modul

parne turbine sa aksijalno-radijalnim

ležajnim blokom

Energetske mašine

Parne turbine 8.28

Slika 8.25. Proračun naprezanja u cjevovodima u programu Rohr 2, Alstom

Izlazni (izduvni) dio kućišta TNP - dijela parne turbine prikazan je na

slici 8.26. Pri tome su takođe korišćene CFD tehnologije.

Energetske mašine

Parne turbine 8.29

Slika 8.26. Prikaz modela izlaznog (izduvnog) dijela ruske TNP snage 200 MW, korišćenjem CFD tehnologija Pro-E, Hypermesh i ANSYS,

BHEL Haridwar Ltd., New Delhi, Indija