Совершенствование конструкции регулирующего односедельного клапана вентури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование конструкции регулирующего односедельного клапана вентури

Е.В. Тулубенский, А.В. Осипов, А.М. Дроконов

Проанализированы аэродинамические характеристики исходной и модернизированной конструкций односедельного регулирующего клапана с коническим диффузором с использованием метода конечных элементов в системе автоматизированного проектирования Autodesk Simulation CFD 2013. Рассмотрены принципы расчета данной САПР.

В настоящее время не в полной мере решена проблема впуска в проточную часть паровой турбины теплоносителя, обладающего равномерными параметрами, которые благоприятно сказываются на течении среды. аэродинамический клапан автоматизированный

Перед тем как поток попадает в первую сопловую решетку, он проходит ряд устройств: стопорный и регулирующий клапаны, входной патрубок, различные диффузорные каналы. Их конструкция оказывает весомое влияние на равномерное распределение полей скоростей и давлений рабочего тела, а также на величину турбулентности потока, которые существенно влияют на экономичность работы турбины и энергетической установки в целом [1]. Кроме того, любая неравномерность потока влечет за собой возникновение вибраций, что является серьезной проблемой при эксплуатации турбомашин, и с этим явлением стараются всячески бороться. Помимо этого, вибрация вызывает повышение уровня шума, а к этому параметру в настоящее время также предъявляются серьезные требования. Поэтому совершенствование конструкции тех или иных устройств, направленное на решение перечисленных проблем, является на сегодняшний день актуальной инженерной задачей.

Объектом настоящего исследования послужил односедельный регулирующий клапан с коническим диффузором. Были проанализированы аэродинамические характеристики исходной и модернизированной конструкций. Первый вариант конструкции клапана представляет собой обычный дроссельный конус (рис. 1а), второй - модернизированный клапан с выточкой в вершине дроссельного конуса (рис. 1б), использование которого позволит снизить неравномерность поля скоростей потока и его турбулентность за клапаном за счет геометрии усовершенствованной конструкции, обеспечивающей формирование заторможенной зоны рабочей выточкой конуса.

Анализ аэродинамических показателей конструкций клапана выполнен с использованием метода конечных элементов в системе автоматизированного проектирования Autodesk Simulation CFD 2013.

Исследуемая область разделялась на совокупность подобластей, для которых по математическим моделям решалась задача. Математическая модель газодинамической системы в программе Simulation CFD представляет собой систему, состоящую: из уравнения неразрывности (закон сохранения массы) (1); уравнений Навье-Стокса, описывающих движение вязкой текучей среды, (2 - 4); первого закона термодинамики (закон сохранения энергии) (5) [5].

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Два последних слагаемых в уравнениях Навье-Стокса описывают процесс вращательного движения потока и его гидравлического сопротивления [5].

Рассматриваемая математическая модель может быть упрощена или, наоборот, усложнена путем удаления или добавления в уравнения слагаемых, учитывающих определенный конструктивный или режимный фактор. Так, в случае дополнительного анализа турбулентности, тепломассообмена, конвекции, кавитации и т.п. в систему вводятся дополнительные уравнения, описывающие данное явление. Таким образом, итоговая математическая модель зависит непосредственно от характера и необходимой точности решения конкретной задачи [2].

Проведение аэродинамического анализа потока в реальной геометрической модели сопловой коробки, включающей в себя четыре регулирующих клапана, траверсу и различные крепежные элементы (рис. 2а), является сложной задачей и требует больших затрат ресурсов ЭВМ. Поэтому целесообразно использовать упрощенную расчетную модель, включающую в себя конус клапана и канал, по которому протекает рабочее тело (рис. 2б). Конусы клапанов рассматриваются с линейной расходной характеристикой.

Расчетная модель была создана в системе автоматизированного проектирования Autodesk Inventor Professional 2013 и затем экспортирована в среду Simulation CFD, где уже непосредственно проводился анализ аэродинамических характеристик.

В первую очередь задавались материалы и их свойства. Конус клапана и канал - твердотельные. Внутренний объем канала, который строится средствами среды при указании граничных плоскостей, занимает перегретый водяной пар со следующими параметрами:

· давление p = 3 МПа;

· удельная теплоемкость с = 2354 Дж/кг·К;

· динамическая вязкость µ = 22,1 мкПа·с;

· отношение c_p /c_v =1,37.

В качестве граничных условий задавались температура пара на входе t = 350°C и его массовый расход G = 1,5 кг/с.

Сеточная модель строилась средой автоматически. Основной элемент сетки - тетраэдр, элемент объема пограничного слоя - призма. Конечноэлементная модель внутреннего объема представлена на рис. 3а. Следует отметить, что пограничный слой разбивается дополнительно на 3 элементарных объема (рис. 3б), что при проведении анализа повышает точность результатов [4].

Следующим шагом анализа является настройка решателя системы и проведение симуляции.

В рассматриваемой задаче учитывалось влияние процесса формирования и вырождения турбулентности потока, по параметрам которой сравнивалась эффективность конструкций клапанной системы.

В настоящий момент создано большое количество разнообразных моделей для расчёта турбулентных течений, отличающихся сложностью решения и точностью описания течения. В нашем варианте использована модель турбулентности «Эпсилон-К», в которой уравнения движения Навье-Стокса преобразованы к виду, позволяющему учесть влияние флуктуации средней скорости потока (в виде турбулентной кинетической энергии) и процесса вырождения этой флуктуации за счёт сил вязкости (диссипации). Таким образом, в математической модели решаются два дополнительных уравнения (6) и (7), оценивающие процессы транспорта кинетической энергии турбулентности и ее диссипации [5]:

 (6)

(7)

В решателе САПР процесс определения неизвестных параметров сводится к решению матричного уравнения, полученного из математической модели, следующего вида:

где A_ij - трехдиагональная матрица граничных значений основных уравнений математической модели, описывающих решаемую задачу; u_j - вектор решений, или значения зависимых переменных (u, v, w, p, T…); компонент F_i содержит исходные условия [5].

Матричное уравнение решается на основе TDMA-алгоритма (алгоритм Томаса, метод прогонки). Этот метод основывается на предположении, что искомые неизвестные связаны рекуррентным соотношением, в которое входят вспомогательные прогоночные коэффициенты. Изначально идет прямой ход метода прогонки (вычисление вспомогательных величин), а затем обратный ход (нахождение решения).

При настройке решателя указывается, что поток рассматривается как стационарный, сжимаемый, турбулентный (модель турбулентности «Эпсилон-К»). Также указываются дополнительные параметры, которые необходимо представить в постпроцессоре - интенсивность турбулентности и завихренность потока.

Решение проводилось итерационно, т.е. методом последовательных приближений. Количество итераций (количество решений уравнений) задается пользователем. В нашей задаче их количество принято равным двадцати пяти. Следует отметить, что чем больше итераций происходит при решении, тем точнее итоговый результат.

Для сопоставления результатов анализа использовался специальный модуль программы Results (постпроцессор). Было установлено, что течение потока характеризуется дозвуковыми скоростями (число Маха не превышает 0,65). На рис. 4 представлены картины распределения скоростей теплоносителя при прохождении через клапанную группу.

В варианте с выточкой в конусе поле скоростей после прохождения клапана более равномерное в сравнении с исходной конструкцией. Как видно, эффект выравнивания поля скорости в модернизированном варианте достигается при меньшей длине диффузорного канала. Вместе с тем по одной из основных характеристик любого дроссельного устройства - потере давления рабочего тела модернизированный вариант конструкции несколько уступает исходному (на 0,03%). Потери давления, однако, можно свести к тому же значению, что и в исходной модели, путем увеличения проходного сечения клапана, но это снизит чувствительность регулирующего блока.

На рис. 5 представлена модель течения пара через клапан в виде трассировочных линий тока. Параметры турбулентного течения потока после прохождения модернизированного клапана (кинетическая энергия турбулентности, турбулентная диссипация, интенсивность турбулентности и завихренность потока) в ряде случаев значительно ниже в сравнении с этими же параметрами в исходном клапане. Графики, характеризующие изменение диссипации и интенсивности турбулентности по сечению выходного канала, представлены на рис. 6 и 7 соответственно.

В заключение отметим достоинства и недостатки модернизированной конструкции.

Достоинства модернизированного клапана:

· уменьшаются потери энергии от турбулентности потока;

· снижается коэффициент неравномерности распределения скоростей при небольшой длине диффузорного канала;

· простота конструктивного исполнения.

Недостаток: при равных потерях давления - несколько меньшая чувствительность системы регулирования, что тем не менее может быть исправлено при использовании диффузора с управляемым пограничным слоем [3].

Таким образом, предложенная конструкция регулирующего клапана позволит получить определенный экономический эффект и снизить виброакустическую активность турбоустановки.

Список литературы

1. Дейч, М.Е. Гидрогазодинамика / М.Е. Дейч, А.Е. Зарянкин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 384 с.

2. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри, Ж.де Фриз. - М.: Мир, 1981. - 364 с.

3. Дроконов, А.М. Виброакустическая активность и эксплуатационная безопасность рабочих колес турбомашин: учеб. пособие / А.М. Дроконов, Т.А. Николаева. - Брянск: БГТУ, 2010. - 96 с.

4. Запись вебинара, освещающего возможности и принципы работы Autodesk Simulation CFD.

5. Официальная справка Autodesk Simulation CFD.

Размещено на Allbest.ru