|
Марка
|
Мощность, МВт
|
КПД, %
|
Расход уходящих газов, кг/с
|
Температура уходящих газов,°С
|
|
V64.3A
|
67
|
34,7
|
191
|
589
|
|
V94.2
|
157
|
34,4
|
509
|
537
|
|
V94.2A
|
190
|
35,2
|
520
|
585
|
|
V94.3A
|
265
|
38,5
|
656
|
584
|
Газовая турбина фирмы "Siemens" V 64.3А
представляет собой одновальную машину стационарной конструкции, заключенную в
один общий корпус. Генератор ТЗФГ-63-2УЗ ОАО "Электросила"
присоединяется к газовой турбине со стороны компрессора через редуктор.
Герметичный внешний корпус компрессора и турбины состоит из
четырех частей:
входного корпуса компрессора с встроенным корпусом переднего
радиально-упорного подшипника;
корпус компрессора, служащего держателем направляющих
аппаратов компрессора;
центрального корпуса с кольцом камеры сгорания;
корпуса турбины.
Компрессор имеет 17 ступеней сжатия. Угол поворота входного
направляющего аппарата компрессора изменяется для поддержания постоянной
температуры выхлопных газов при нагрузках вплоть до половинной без потери КПД.
С целью обеспечения устойчивой работы компрессора на низких скоростях вращения
ротора при запуске и останове установлен ряд антипомпажных перепусков, которые
стравливают необходимое количество воздуха. С целью компенсации потерь
мощности, вызванных загрязнением лопаток, компрессор должен подвергаться
периодической промывке.
Сжигание топлива происходит в кольцевой камере сгорания с
гибридными горелками, которые обеспечивают низкий уровень выбросов окислов
азота при сжигании газового топлива [5]. Кольцевая камера сгорания гарантирует
высокую равномерность поля температур горячих газов перед лопаточным аппаратом
турбины. Конструкция системы сжигания отличается простотой и высокой степенью
надежности. Горячий газ, поступающий из камеры сгорания, подвергается
расширению в четырехступенчатой турбине. Лопатки ротора турбины изготовлены из
высокотемпературных сплавов, выдерживающих большие механические и тепловые
нагрузки. Ротор объединяет секции компрессора и газовой турбины на одном валу.
Газы от газовой турбины направляются к котлу по осевому диффузору.
Охлаждение двух первых ступеней турбины пленочное, воздухом,
отбираемым от компрессора. Чрезвычайно жесткий и легкий ротор турбины дает
возможность устанавливать его с помощью двух подшипников, расположенных во
входном корпусе компрессора (радиально-упорный подшипник) и в районе выхода из
турбины (радиальный подшипник). Особая конструкция ротора позволяет иметь
мягкий ход на переходных режимах работы. Высокая разгонная и нагрузочная
способность обеспечивается благодаря малым тепловым постоянным времени
собранного ротора. При прокрутке генератора тиристорное пусковое устройство
обеспечивает быстрый и мягкий запуск турбины.
Все направляющие и рабочие лопатки компрессора и турбины
допускают возможность своей индивидуальной замены непосредственно на месте
установки турбины. Турбина снабжена валоповоротным механизмом, предназначенным
для поворота ротора газовой турбины после её останова для предотвращения
неравномерного охлаждения, которое может привести к деформации вала.
Газотурбинная установка укомплектована маслосистемой, топливной системой,
системой пожаротушения, оборудованием промывки ГТУ (поставка фирмы "Siemens").
1.3 Выбор
объекта моделирования и постановка задачи
В качестве объекта исследования в данном дипломном проекте
выбрана камера сгорания газовой турбины промышленного типа, на примере агрегата
фирмы "Siemens" модели V64.3A [20]. Данная ГТУ относится к классу
средних по мощности промышленных турбин с непрерывной кольцевой камерой
сгорания.
Камеры сгорания в ГТУ играют главенствующую роль. Остановимся
подробнее на её основных функциях и конструктивных особенностях.
В камере сгорания ГТУ осуществляется нагрев рабочего тела до
заданной температуры за счет сжигания топлива в потоке сжатого воздуха [5].
К камерам сгорания предъявляются следующие требования:
в них должно происходить устойчивое горение топлива на всех
режимах работы ГТУ, без срывов, опасных пульсаций и затухания пламени;
поле температур в газовом потока перед турбиной должно быть
достаточно равномерным во избежание местных перегревов и повреждений сопел и
лопаток;
для увеличения срока службы они должны иметь надежное
охлаждение, особенно наиболее нагретых частей;
высокая экономичность на всех режимах работы ГТУ;
возможно меньшее гидравлическое сопротивление;
надежный запуск;
по конструкции они должны быть удобными и безопасными в
эксплуатации, технологичными в недорогими в изготовлении;
камеры сгорания ГТУ передвижных и транспортабельных
электростанций, кроме того, должны иметь еще возможно меньшую массу и габариты.
Камеры сгорания современных ГТУ работают на газообразном
топливе (в основном это природные газы) и на различных сортах жидкого топлива:
газойле, керосине, дизельном топливе, солярном масле, дистилляте. Проблема
сжигания в камерах сгорания твердого топлива пока не решена, но в этом
направлении ведутся исследовательские работы.
Интересно хотя бы вкратце проанализировать соображения, которыми
обычно руководствуются при выборе конфигурации и основных размеров традиционных
камер сгорания. Такого рода данные позволяют понять, как определяются
конструктивные основные характеристики, обеспечивающие работу камеры сгорания.
На рисунке 1.2 (а) показана схема простейшей камеры сгорания
- прямой цилиндрический канал, соединяющий компрессор с турбиной. К сожалению,
такое простое устройство непригодно из-за недопустимо больших потерь давления.
Рисунок 1.2 - Стадии развития схемы традиционной камеры
сгорания газотурбинного двигателя
Потери давления пропорциональны квадрату скорости воздушного
потока. Поскольку скорость воздуха на выходе из компрессора близка к 150 (м/с),
потери давления при этом могут достигать четвертой части общего повышения
давления в компрессоре. Для снижения потерь давления до приемлемого уровня
используют, как показано на рисунке 1.2 (б) диффузор, с помощью которого
скорость воздуха уменьшают приблизительно в 5 раз.
Однако этого недостаточно, так как для предотвращения срыва
пламени и поддержания устойчивого процесса горения необходимо с помощью
обратных токов создать зону малых скоростей. На рисунке 1.2 (в) показано, как
этого можно достичь посредством простой пластины. Такое устройство имеет,
однако, один недостаток, который заключается в том, что необходимое для
получения заданной величины повышения температуры отношение топливо-воздух
существенно превышает предел воспламеняемости смесей углеводородов с воздухом.
В идеальном случае коэффициент избытка воздуха a близок к 1,25, хотя,
например, при желании снизить выбросы окислов азота, эта величина может быть
увеличена до 1,6. Указанный недостаток может быть устранен, если простой
стабилизатор заменить, как показано на рисунке 1.2 (г), перфорированной жаровой
трубой. В жаровой трубе создается зона малых скоростей, в которой процесс
горения поддерживается циркуляционным потоком продуктов сгорания, непрерывно
поджигающим поступающую в камеру свежую топливовоздушную смесь. Избыточная
(ненужная для горения) часть воздуха вводится в жаровую трубу за зоной горения,
где она перемешивается с горячими продуктами сгорания, понижая, таким образом,
их температуру до приемлемого для турбины уровня.
Существующие камеры сгорания можно разделить на следующие
основные типы:
а) индивидуальные;
б) секционные (многотрубчатые);
в) кольцевые;
г) трубчато-кольцевые.
Кроме того, камеры сгорания делятся на прямоточные и
противоточные. В прямоточных камерах охлаждающий (вторичный) воздух движется в
кольцевом канале между пламенной трубой и корпусом в том же направлении, что и
продукты сгорания. В противоточных камерах поток охлаждающего воздуха направлен
навстречу потоку продуктов сгорания в пламенной трубе. Применение противоточных
камер в ряде случаев упрощает общую компоновку ГТУ и позволяет сократить длину
камеры, но потери давления в них обычно больше, чем в прямоточных камерах.
Индивидуальные камеры, в свою очередь, бывают выносными и
встроенными. Выносная камера в отдельно скомпонованном корпусе устанавливается
в ГТУ рядом с турбокомпрессором. Применяют эти камеры в основном в стационарных
и значительно реже в передвижных установках. У встроенных камер корпус
опирается непосредственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с
ним совмещён.
Существуют две разновидности индивидуальных камер сгорания:
цилиндрические и угловые. В цилиндрической камере сгорания, изображенной на
рисунке 1.3, воздух разделяется на два потока: первичный и вторичный. Первичный
воздух поступает через воздухо-направляющее устройство 1 в пламенную трубу 4,
куда через форсунку 2 (или горелку) подается топливо. Расход первичного воздуха
регулируется в зависимости от расхода топлива поворотом лопаток
воздухо-направляющего устройства 1, что осуществляется посредством специальных
рычагов управления. Вторичный (охлаждающий) воздух пропускается через кольцевое
пространство между пламенной трубой 4 и корпусом 3 камеры сгорания. При
движении он интенсивно охлаждает стенки трубы и корпуса. Выходя из кольцевого
пространства, вторичный воздух попадает в объем А, где он смешивается с
продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру до заданного значения.
Рисунок 1.3 - Схема цилиндрической камеры сгорания
Для уменьшения закрутки газового потока на выходе из камеры и
для лучшего перемешивания вторичного воздуха с продуктами сгорания к пламенной
трубе приварены лопатки 5, закручивающие поток вторичного воздуха в
направлении, обратном тому, которое придается первичному воздуху.
В цилиндрических камерах можно установить не одну, а
несколько форсунок, что увеличивает надёжность работы и позволяет регулировать
тепловую мощность камеры сгорания изменением числа работающих форсунок.
Объемная теплонапряженность этих камер составляет 20000-30000 кВт/м3
при давлении 0,4-0,45 МПа, а тепловая мощность камеры сгорания достигает 3000
кДж/ч, расход воздуха - 2,5·105 м3/ч,
К преимуществам индивидуальных цилиндрических камер сгорания
относятся простота конструкции и сравнительно малые потери давления,
достигающие 1,5-3,0 %. Основными недостатками этих камер являются большие масса
и габариты.
Секционные (многотрубчатые) камеры сгорания представляют
собой конструкцию, в которой объединено несколько (6-16) параллельно работающих
цилиндрических камер (секций), часто связанных между собой пламяпередающими
патрубками.
Секция многотрубчатой камеры сгорания, в соответствии с
рисунком 1.4, состоит из пламенной трубы и кожуха 8. Пламенная труба включает в
себя головку, состоящую из лопаточного завихрителя 3, тарелки 2 и конуса 4, и
корпус, состоящий из цилиндрической части 5 и двух конических участков,
соединенных между собой конусным кольцом 6.
Первичный воздух поступает через входной кожух 1 в головку
пламенной трубы. Часть его направляется в зону горения через лопаточный
завихритель 3, а оставшаяся часть идет туда через многочисленные отверстия в
тарелке 2 и конусе 4. Кроме того, на цилиндрической части пламенной трубы 5
имеется еще два ряда отверстий, через которые дополнительно поступает воздух,
необходимый для горения при полной нагрузке ГТУ. Вторичный воздух идет по
кольцевому пространству между пламенной трубой и кожухом 8 и затем поступает в
зону смешения через четыре ряда отверстий в конической части пламенной трубы 7.
Наибольшая часть охлаждаемого воздуха входит внутрь пламенной трубы через
большое число отверстий малого диаметра в конусном кольце 6.
Рисунок 1.4 - Секция многотрубчатой камеры сгорания
Секционные камеры сгорания выполняют обычно в виде единого
моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каждая секция имеет
одну форсунку, впрыскивающую топливо по направлению потока. Секционные камеры
сгорания отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания
топлива и устойчиво работают в различных эксплуатационных условиях. Недостатком
их является сравнительно большие потери давления (2,5-7,5%). Тепловая мощность
отдельной секции составляет в среднем (0,7-1,7) ·103 кВт, а иногда
достигает 3,5·103 кВт. Объемная теплонапряженность у камер этого
типа высокая - (100-160) ·103 кВт/м3.
В кольцевых камерах сгорания, в соответствии с рисунком 1.5, зона
горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150-200 м, которая
образуется цилиндрами 1 и 2. Два других соосно-расположенных цилиндра (9 и 8)
составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопроводящее устройство 4
поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам
6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где
смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В
воздухоподводящем устройстве 4, на входе в зону горения I по всей окружности
расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание
топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Число форсунок
может достигать 10-20, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.
Рисунок 1.5 - Схема кольцевой камеры сгорания
Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно такая
же, как и у секционных, но потери давления несколько больше (до 10 %). По
сравнению с секционными камерами они имеют меньший рабочий объем и более
равномерное поле температур газа на выходе. Зато кольцевые камеры сложнее в
изготовлении и доводке, труднодоступны для осмотра в ходе эксплуатации.
Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой
конструктивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и
у кольцевой камеры, кожух её образуется наружным и внутренним
соосно-расположенными цилиндрами. А в кольцевом пространстве между этими
цилиндрами размещается ряд отдельных пламенных труб, снабженных форсунками.
Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые
предназначены для передачи пламени, зажигания и выравнивания давления между
трубами. Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления
приблизительно такие же, как секционные камеры. Они компактнее кольцевых камер
и более просты в доводке. Небольшие размеры пламенных труб упрощают их
изготовление и разборку.
Для работы на жидком топливе в камерах сгорания обычно
применяют центробежные форсунки, изображенные на рисунке 1.6. Они просты по
конструкции, надежны в работе и обеспечивают хорошее распыливание топлива. К
форсунке топливо подаётся насосом 5 под давлением не менее 1,0-1,5 МПа.
Поступает оно сначала в кольцевую полость 1, а затем через ряд тангенциально
расположенных каналов 2 направляется в вихревую камеру 3, в которой приобретает
вращательно-поступательное движение. При выходе из форсунки топливо распыляется
под действием центробежных сил.
В центробежных форсунках регулировать расход топлива за счет
изменения его давления можно не более чем в 2-2,5 раза. Для обеспечения более
широкого диапазона регулирования применяют двухступенчатые форсунки и форсунки
с перепуском топлива. У двухступенчатых (двухконтурных) форсунок на малых
расходах работает лишь одна первая ступень. Для увеличения расхода топлива к
ней подключается вторая ступень. У форсунок с перепуском топлива вихревая
камера 3 соединена с регулируемым клапаном 4, который перепускает часть топлива
обратно в подводящий трубопровод или же в расходный бак 6.
Рисунок 1.6 - Центробежная форсунка с перепуском топлива
Из представленного обзора можно сделать вывод, что кольцевые
камеры сгорания, рассматриваемые в данном проекте, являются компактными и
технологичными, но в то же время сложными в изготовлении и доводке. Под
технологичностью в данном случае понимается равномерность потока, которая
приводит к большей экологичности турбины и тепловой устойчивости камеры.
Сложность в изготовлении и доводке диктует применение новых технологий
при проектировании агрегата. От классического пути необходимо переходить к
программным средствам и методологиям, создавать виртуальные модели конструкций,
которые позволяют провести практически любой вид анализа без каких либо
технических затруднений и затрат. За рубежом, программные средства такого рода
весьма распространены и используются в основном фирмами, которые привыкли
отвечать за качество своей продукции и могут гарантировать его.
На сегодняшний день время подготовки производства и себестоимость
продукции пристально изучаются с целью их сокращения для поддержания
конкурентоспособности изделий и лидерства предприятий на рынке, поскольку
требования, предъявляемые к предприятиям, постоянно возрастают. Наиболее
короткий цикл подготовки производства в сочетании с низкими производственными
затратами может быть реализован путем сокращения традиционных методов
моделирования и испытаний. С внедрением методов компьютерного моделирования и
анализа исключается необходимость повторного создания опытных образцов и
проведения их испытаний вследствие корректировки конструкции по результатам
предыдущих испытаний, так как корректировка конструкции осуществляется после
компьютерного анализа, а испытание опытных образцов носит верификационный
характер, как показано на рисунке 1.7 [15].
Рисунок 1.7 - Жизненные циклы изделий, основанные на
традиционных методах моделирования и компьютерном анализе
Для камер сгорания основными исследуемыми параметрами
являются:
а) геометрия камеры сгорания (акустический анализ);
б) тепловой поток (термодинамический анализ);
в) режимы работы горелочного устройства (сопряженный
анализ).
В данном дипломном проекте предложена методика, позволяющая
производить конечно-элементный расчет по всем перечисленным пунктам. Такого
рода виртуальные эксперименты и расчеты существенно облегчают проектирование
камер сгорания и приносят неоспоримый экономический эффект.
Существуют и аналитические методы, позволяющие провести
расчет камер сгорания, в том числе физико-химические и математические,
учитывающие реагирующие потоки и турбулентность. Но затраты при таком подходе
могут быть значительно ниже, если он гармонично сочетается с виртуальными
расчетами.
.4 Основные
показатели работы камер сгорания
Тепловая мощность камеры 
(кВт) выражается количеством тепла, которое выделяется в единицу
времени при полном сгорания топлива [5]:
, (1.1)
где
В - расход сжигаемого топлива, кг/с;
- низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
Объемная теплонапряженность q (кВт/м3)
характеризует компактность, а значит, и эффективность использования объема:
, (1.2)
где 
- объем камеры сгорания, м3
(принимается обычно равным объему пламенной (жаровой) трубы).
С повышением давления в камере мощность и теплонапряженность её
увеличиваются, так как при этом возрастает массовый расход воздуха через
камеру, а, следовательно, и расход сжигаемого топлива. Поэтому при оценке камер
сгорания их объемную теплонапряженность обычно берут относительно к давлению в
камере, т.е.:
, (1.3)
где 
- давление на входе в камеру, МПа.
Потери энергия в камере сгорания состоят из тепловых потерь и
потерь давления.
Тепловой к. п. д. камеры сгорания учитывает все тепловые потери:
, (1.4)
где 
- потери теплоты от неполного сгорания
топлива (химический и физический недожог). У современных камер сгорания эти
потери не должны превышать 1-5 % общего расхода теплоты при работе на всем
диапазоне рабочих нагрузок и 1-3 % при работе на расчетной нагрузке;
- потери за счет отдачи теплоты, в окружающее пространство
нагретой поверхностью камеры и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери
обычно бывают не более 0,5 % расхода теплоты.
В существующих камерах сгорания тепловой к. п. д., при работе на
расчетном режиме: 
Полные потери давления в камере сгорания складываются из
гидравлических потерь и дополнительных.
Гидравлические потери возникают без подвода теплоты к камере, в
результате потерь на трения при прохождении газового потока и местных
сопротивлений от воздухо-направляющих ребер, завихрителей и т.д. Эти потери
определяются при холодной продувке камеры.
Дополнительные потери давления вызваны нагревом газа при сгорании
топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового
потока увеличивается. Процесс снижения давления в газовом потоке при подводе
теплоты подробно рассматривается в курсе газовой динамики.
Полные потери давления принято выражать в долях или процентах по
отношению к давлению полного торможения воздуха на входе в камеру:
, (1.5)
где 
- полная потеря давления в камере;
- давление полного торможения газов на выходе из камеры.
Давление полного торможения воздуха в газе:
,
, (1.6)
где 
- статическое давление воздуха на входе и
газа на выходе, МПа; rВ rГ -
плотность воздуха и газа, кг/м3; wВ wГ - средние скорости воздуха во входном сечении и газа в выходном
сечения камеры, м/с.
В современных конструкциях камер сгорания полные потери давления
обычно бывают в пределах 
= 1-3 %.
Потери давления в камере сгорания снижают к. п. д. ГТУ. Это можно
учесть с помощью аэродинамического к. п. д. камеры сгорания 
, который обычно составляет: 
. Общий к. п. д. камеры сгорания можно
выразить в виде произведения:
. (1.7)
У современных камер сгорания 
.
Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания:
, (1.8)
где 
и 
- соответственно расход воздуха и топлива в камере, кг/с;
- теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг
топлива рассчитывается элементарному составу топлива.
Как уже отмечалось в современных ГТУ a = 4-8.
Непосредственно в процессе сгорания участвует не все количество
воздуха GB, а только часть его - первичный воздух, поступающий в зону
горения:
, (1.9)
где a1 - коэффициент избытка первичного воздуха,
зависящий от конструкции камеры сгорания и вида сжигавшего топлива.
Обычно 
.
2.
Программная среда разработки проекта
.1 Краткое
описание метода конечных элементов
Развитие техники ставит новые задачи в области исследования
работоспособности машин и их элементов. Повышение их надежности и
долговечности, являясь важнейшим фактором, определяющим рост конкурентоспособности
изделий, связано с достоверным определением "опасных" мест
конструкций [3,9,12].
Наиболее эффективным широко используемым современным
средством достижения поставленной цели является использование метода конечных
элементов. Первоначально метод рассматривался как специальная инженерная
процедура для построения матричных решений задач при расчете напряжений и
перемещений. Однако позже стало очевидно, что этой процедуре можно дать
вариационную интерпретацию, если ввести в рассмотрение потенциальную энергию
системы.
Сущность метода конечных элементов состоит в аппроксимации
исследуемого тела некоторой моделью, которая представляет собой совокупность
элементов с конечным числом степеней свободы. Эти элементы взаимосвязаны только
в узловых точках, куда прикладываются фиктивные силы, эквивалентные
поверхностным напряжениям, распределенным по границами элементов. Параметры
приведенной идеализированной системы определяются исходя из соответствующих
вариационных решений.
Хотя основные принципы метода конечных элементов
сформулированы давно, данный метод получил широкое применение только во второй
половине двадцатого столетия. В основном это связано с тем, что его
использование требует больших объемов рутинных вычислений. Ситуация в корне
изменилась с развитием вычислительной техники, когда выяснилось, что ЭВМ вполне
подходят для решения подобных задач. Первые программные продукты, использующие
для расчетов метод конечных элементов, появились еще в конце шестидесятых
годов.
Метод конечных элементов позволяет значительно уменьшить
затраты при разработке новых изделий, так как позволяет существенно сократить
объемы или даже полностью отказаться от дорогостоящих стендовых испытаний.
Кроме того, с помощью метода конечных элементов можно в сравнительно короткие
сроки оценить характеристики разных вариантов конструкций и выбрать наилучшую.
В последнее время метод конечных элементов применяется в
самых разных отраслях промышленности и науки. С его помощью выполняются расчеты
в архитектуре, причем не только расчеты на прочность, но также расчеты акустики
и тепловые расчеты. Широкое применение программные продукты, использующие
данный метод, получили в машиностроении для расчетов на прочность самых разных
узлов и конструкций современных машин. Решаемые задачи не ограничиваются
прочностными. Также важным являются задачи расчета температурного режима узлов
механизмов
Отдельным, и тоже важным классом задач, решаемых методом
конечных элементов, являются гидродинамические задачи, причем современные
программные комплексы умеют решать практически любые задачи данного класса.
Некоторые пакеты, основанные на методе конечных элементов,
"научились" решать даже такие трудно моделируемые задачи, как задачи
разрушения, задачи с большими пластическими деформациями (например расчеты
процессов прессования) и т.д.
В настоящее время существует достаточно много программных
продуктов для решения отдельных классов задач, основанных на методе конечных
элементов [13]. Можно подобрать программный продукт практически для любой
задачи. Следует отметить, что многие коммерческие программы чрезвычайно дороги
(речь идет о десятках тысяч евро), но в отличие от дешевых и бесплатных
программных пакетов, они способны представить более высокое качество и скорость
решения задач.
Один из наиболее мощных коммерческих программных продуктов -
это ANSYS [13,15]. ANSYS известен на рынке уже более двадцати лет и является
наиболее распространенным средством для научных и инженерных расчетов.
Особенностью ANSYS является чрезвычайно широкий спектр задач, которые он в
состоянии решать. Сюда входят задачи: расчетов на прочность (как линейные, так
и нелинейные), теплообмена, гидродинамики, смешанные и даже акустики.
Многоцелевой конечно-элементный пакет инженерного анализа
ANSYS позволяет производить расчет в таких дисциплинах как прочность,
теплофизика, динамика жидкостей и ряд других. Программа ANSYS представляет
собой, компьютерную систему для проектирования и выполнения связанного
междисциплинарного анализа методом конечных элементов. Программный комплекс
ANSYS сертифицирован согласно серии стандартов ISO 9000, 9001, а также
бессрочно аттестован в Госатомнадзоре РФ на проведение расчетов для атомной
промышленности. ANSYS обеспечивает двустороннюю связь практически со всеми
известными CAD-системами [2].
Из большого количества программных продуктов, реализующих
метод конечных элементов, наибольшее распространение получили универсальные,
"тяжелые" конечно-элементные пакеты.
За рубежом для расчета с помощью метода конечных элементов
широко применяются такие программные пакеты, как NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, SAP,
ADINA, COSMOS.
.2 Основные
принципы проектирования в ANSYS
Программный комплекс ANSYS представляет собой
многоцелевой пакет для решения сложных проблем физики и механики.
Программа располагает широким перечнем расчетных средств,
которые могут учесть разнообразные конструктивные нелинейности. Многоцелевые
функции комплекса ANSYS обеспечиваются наличием в нем многочисленного
семейства отдельных специализированных программ, имеющих много общих функций,
однако математическое обеспечение которых рассчитано на решение отдельных
классов задач [13]./Multiphysics - программа для широкого круга инженерных
дисциплин, которая позволяет проводить расчеты в области прочности,
распространения тепла, механики жидкостей и газов, электромагнетизма, а также
решать связанные задачи./Mechanical - программа для решения сложных задач
прочности конструкций, теплопередачи, акустики. Эта программа позволяет
определять перемещения, напряжения, усилия, температуры давления и другие
параметры, важные для оценки механического поведения материалов и прочности
конструкции. Данная программа является подмножеством ANSYS
Multiphysics./Structural - выполняет сложный прочностной анализ конструкций с
учетом разнообразных нелинейностей, среди которых геометрическая и физическая
нелинейности, нелинейное поведение конечных элементов и потеря устойчивости.
Используется для точного моделирования поведения больших и сложных расчетных
моделей. Данная программа является подмножеством ANSYS/Mechanical./Thermal -
это отдельная программа, выделенная из пакем ANSYS/Mechanical, для
решения тепловых стационарных и нестационарных задач./LS-DYNA - программа,
предназначенная для решения прочностных задач динамики при больших
нелинейностях. Эта программа может использоваться для численного моделирования
процессов формообразования материалов, анализа аварийных столкновений и ударов
при конечных деформациях, включая пробивание, нелинейное поведение материала и
контактное взаимодействие элементов конструкции./ED - представляет собой программу,
обладающую возможностями ANSYS/Multiphysics, но имеющую ограничения по
размерам расчетной модели. Эта программа предназначена, в основном, для учебных
целей.
Предварительная
подготовка и вход в программу
Прежде, чем входить в программу, необходимо выполнить
следующее:
установить разрешение дисплея не хуже 1024 х 765
пиксел;
цветовая палитра должна включать не менее 256 цветов.
Вход в интерактивный режим осуществляется в следующей
последовательности:
настройка параметров;
запуск сессии Run Interactive Now.
После входа в интерактивный режим диалог пользователя с
программой осуществляется через многооконный "Графический интерфейс
пользователя (GUI)", изображенный на рисунке 2.1, в котором меню
представляет собой перечень нескольких логически связанных процедур управления
программой, расположенных в отдельных окнах. Кратко опишем некоторые из окон
GUI.
Рисунок 2.1 - Графический интерфейс пользователя программы
ANSYS
Верхнее горизонтальное окно 1 представляет собой "Меню утилит
(Utility menu)". Меню утилит содержит набор часто используемых процедур,
которые отображены здесь для доступа в любой момент работы программы.
Окно 2 представляет собой "Окно ввода (ANSYS
input)" - область для набора команд и вывод сообщений в "Output
Window". Имеется возможность обратиться к списку введенных ранее
команд. Команды можно извлекать из файла регистрации (log-файла) введенных
ранее команд и (или) входных файлов для последующего ввода.
Окно 3 представляет собой "Главное меню (ANSYS
Main Menu)". Оно содержит основные функции и этапы выполнения программы,
которые группируются в располагаемые сбоку всплывающие (динамические) меню, вид
которых зависит от продвижения по программе.
Окно 4 является "Графическим окном". Оно
представляет собой область для вывода такой графической информации, как
конечно-элементная модель или графики результатов анализа.
Окно 5 - это "Линейка инструментов (Toolbar)".
Линейка инструментов позволяет пользователю создавать кнопки и иметь быстрый
доступ к часто исполняемым командам.
Окно 6 не представлено на рисунке 2.1 Это "Окно вывода
(Output Window)", предназначенное для показа текстовых сообщений
программы.
Основные
стадии решения задач
Решение задач с помощью программы ANSYS состоит из
трех этапов: препроцессорная (предварительная) подготовка (Preprocessing), получение
решения (Solving the Equations) и постпроцессорная обработка результатов
(Postprocessing). Приведем краткое содержание основных шагов при выполнении
каждого из этапов. Более подробное описание с примерами приведено ниже [10].
На стадии препроцессорной подготовки выполняется выбор типа
расчета, построение модели и приложение нагрузок (включая и граничные условия).
Здесь задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает
координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и
физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку
конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки,
задает уравнения связи и ограничения. Можно также использовать модуль
статистического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов
памяти.
В программе ANSYS координатные системы используются
для размещения в пространстве геометрических объектов, определения направлений
степеней свободы в узлах сетки, задания свойств материала в разных
направлениях, для управления графическим изображением и содержанием выходных
результатов. Можно использовать декартовы, цилиндрические, сферические,
эллиптические и тороидальные системы координат. Все они могут быть расположены
и ориентированы в пространстве произвольным образом.
Исходные данные, введенные при препроцессорной подготовке,
становятся частью центральной базы данных программы. Эта база данных разделена
на таблицы координатных систем, типов элементов, свойств материала, ключевых
точек, узлов сетки, нагрузок и т.д. Как только в таблице появляются некоторые
данные, на них становится возможным ссылаться по входному номеру таблицы.
Например, могут быть определены несколько координатных систем, которые
активизируются простой ссылкой на соответствующий номер системы (входной номер
таблицы). Кроме того, существует набор команд управления базой данных, чтобы
выделить некоторую ее часть для определенных операций. Выделение необходимых
данных можно проводить по местоположению геометрических объектов, графическим
примитивам твердой модели, типам конечных элементов, видам материалов, номерам
узлов и элементов и т.п. Так, например, сложные граничные условия можно легко
указать или изменить, используя геометрическое представление модели, а не
номера узлов или элементов.
Пользователь имеет возможность ввести обширную информацию,
относящуюся к данной расчетной модели, но программа будет использовать только
ту ее часть из базы данных, которая необходима для определенного вида расчета.
Вид расчета задается при входе в программу.
Еще одним способом выбора данных является разделение модели
на компоненты или слои, представляющие собой группы геометрических объектов,
которые выделены пользователем для большей наглядности. Для наглядности
компоненты могут быть окрашены в разные цвета.
В программе ANSYS существуют три разных способа
построения геометрической модели: импорт модели, предварительно построенной
другой программой, твердотельное моделирование и непосредственное создание
модели в интерактивном режиме работы с программой. Можно выбрать любой
из этих методов или использовать их комбинации для построения расчетной модели.
В программе ANSYS доступны следующие два способа
моделирования: нисходящий и восходящий. В первом случае пользователь указываем
только самый высокий порядок сложности объектов модели. Используемые обычно
объекты (такие, как сферы и призмы, т.е. формы, которые называются
геометрическими примитивами) могут быть созданы за одно обращение к меню.
Например, пользователь определяет объемный примитив, а программа автоматически
находит связанные с ним поверхности, линии и ключевые точки. Примитивы
позволяют непосредственно указывать геометрические формы. В программе ANSYS можно
легко и быстро определить в двумерном случае такие формы, как окружности и
прямоугольники, или параллелепипеды, сферы, конусы и цилиндры в трехмерном.
После того как геометрические объекты указаны (с помощью примитивов,
считыванием данных из файлов формата. IGES или непосредственным
построением), к ним можно применять операции булевой алгебры. При
импортировании геометрии в формате. IGES пользователь имеет возможность
управлять значениями допусков на слияние объектов модели, выявлять
"проблемные" области и возможные ошибки.
В случае непосредственного создания модели в интерактивном
режиме работы чаще всего применяется так называемое "восходящее
моделирование". При восходящем моделировании пользователь строит модель,
начиная с объектов самого низкого порядка. Сначала задаются ключевые точки,
затем связанные с ними линии, поверхности и объёмы - именно в таком порядке.
Независимо от используемого способа построения модели имеется
возможность применять операции булевой алгебры для объединения наборов данных и
за счет этого как бы создавать "скульптуру" модели. Программа имеет
набор таких булевых операций, как сложение, вычитание, пересечение, деление,
склеивание и объединение.
Еще одним эффективным методом построения модели в программе
ANSYS является построение некоторой поверхности с помощью так
называемого метода "обтягивания каркаса". С помощью этого метода
можно задать некоторый набор поперечных сечений, а затем дать программе команду
построить поверхность, которая будет точно соответствовать указанным сечениям.
После того, как построена модель, строится ее
конечно-элементный аналог (т.е. сетка узлов и элементов).
Библиотека конечных элементов программы ANSYS содержит
более 80 типов, каждый из которых определяет, среди прочего, применимость
элемента к той или иной области расчетов (прочностной, тепловой, магнитный и
электрический анализы, движение жидкости или связанные задачи), характерную
форму элемента (линейную, плоскую, в виде бруска и т.д.), а также двухмерность
(2-D) или трехмерность (3-D) элемента.
После выбора типа элементов необходимо задать их константы.
Константы элемента - это свойства, специфичные для данного типа элемента.
Например, для элемента ВЕАМЗ - балочного 2-D элемента - константами являются
площадь поперечного сечения, момент инерции, высота и др.
Свойства материала требуются для большинства типов элементов.
В зависимости от области приложения свойства могут быть линейными, нелинейными
и (или) анизотропными.
Линейные свойства могут зависеть или не зависеть от
температуры, быть изотропными или ортотропными. Зависимость свойств от
температуры имеет форму полинома (вплоть до четвертой степени) или задается
таблично.
Нелинейные соотношения, такие как кривые деформирования,
кривые намагничивания материала, кривые ползучести, обычно задаются в виде
таблицы.
В программе ANSYS предусмотрено четыре способа
генерации сетки: использование метода экструзии, создание упорядоченной сетки,
создание произвольной сетки (автоматически) и адаптивное построение.
Метод экструзии (выдавливания) используется для превращения
областей двумерной сетки в трехмерные объекты, состоящие из параллелепипедов,
клиновидных элементов или их комбинации. Процесс экструзии осуществляется с
помощью процедур смещения из плоскости, буксировки, поступательного и
вращательного перемещений.
Программа ANSYS имеет в своем составе генераторы
произвольной сетки, с помощью которых сетка может наноситься непосредственно на
модель достаточно сложной геометрии без необходимости строить сетку для
отдельных частей и затем собирать их в единую модель. Произвольную сетку можно
строить из треугольных, четырехугольных и четырехгранных элементов.
При произвольном построении сетки реализован алгоритм
разумного выбора размеров конечного элемента, позволяющий строить сетку
элементов с учетом кривизны поверхности модели и наилучшего отображения ее
реальной геометрии. Кроме того, можно выбрать мелкую или крупную сетку
элементов, указав в качестве управляющего параметра любое число из диапазона от
единицы до десяти.
Построение упорядоченной сетки требует предварительного
разбиения модели на отдельные составные части с простой геометрией, а затем -
выбора таких атрибутов элемента и соответствующих команд управления качеством
сетки, чтобы можно было построить конечно-элементную модель с упорядоченной
сеткой. Создаваемая программой ANSYS упорядоченная сетка может состоять
из шестигранных, четырехугольных и треугольных элементов. Для получения
треугольной сетки программа выделяет области модели, предназначенные для
нанесения упорядоченной сетки, создает сначала четырехугольную сетку, а затем
превращает ее в сетку из треугольных элементов.
В качестве дополнительного способа построения упорядоченной
сетки на некоторой поверхности используется деление противоположных граничных
линий этой поверхности таким образом, чтобы можно было осуществить переход от
одного размера сетки к другому. Построение упорядоченной сетки переменного размера
возможно только для поверхностей, ограниченных четырьмя линиями. При большем
числе ограничивающих линий можно выполнить операцию их конкатенации.
При построении сетки возможно также указание общего размера
элемента, деление граничной линии, указание размеров в окрестности заданных
геометрических точек, коэффициентов растяжения или сжатия вдали от границ,
задание ограничения на кривизну и возможность задания "жестких" точек
(т.е. задание точного положения узла вместе с размерами сетки в такой точке).
По сравнению с произвольной сеткой упорядоченная плоская
сетка может содержать только четырехугольные или треугольные элементы, а
упорядоченная объемная сетка - объемные шестигранные элементы.
При использовании подхода непосредственного создания модели в
интерактивном режиме конечно-элементную модель можно построить, определив
положение каждого узла, а также размеры форму и связность для всех элементов
сетки. Узлы используются для того, чтобы определить положение элементов в
пространстве, а элементы определяют связность модели. И те, и другие можно
задавать нам более удобным способом, не заботясь об эффективно ста решения.
Адаптивное построение сетки состоит в том, что после создания
модели и задания граничных условий программа генерирует конечно-элементную сетку,
выполняет расчет, оценивает ошибку за счет сеточной дискретизации и меняет
размер сетки от решения к решению до тех пор, пока расчетная погрешность станет
меньше некоторой наперед заданной величины (или пока не будет достигнуто i-тое
установленное число итераций).
Возможности программы ANSYS допускают модификацию
конечно-элементной сетки. Например, могут быть изменены атрибуты узлов и
элементов. Если модель состоит из повторяющихся областей, то можно создать
сетку только для некоторой области модели, а затем сделать копию этой области.
После того как геометрическая модель покрывается сеткой конечных элементов,
программа автоматически обеспечивает их взаимно-перекрестный контроль, чтобы
гарантировать правильность выполняемых видоизменений сеточной модели. Такие
проверки предотвращают некорректное уничтожение или порчу данных, относящихся к
твердотельной и сеточной моделям. Так, например, ключевые точки, линии,
поверхности или объемы сеточной модели нельзя уничтожить или переместить до тех
пор, пока пользователь явным образом не потребует от программы отменить их
автоматический контроль.
Приложение
нагрузок и получение решения
После того, как при препроцессорной подготовке построена
расчетная модель, можно переходить к стадии решения задачи. Этот этап включает
в себя задание вида анализа и его опций, нагрузок, шага решения и заканчивается
запуском на счет конечно-элементной задачи [10,12].
Программа ANSYS предусматривает два метода решения задач:
h-метод и р-метод. Первый из перечисленных методов может применяться при любом
типе расчетов (статический, динамический, тепловой и т.п.), в то время как
второй метод может использоваться только в линейном статическом анализе. При
прочих равных условиях, h-метод требует более частой сетки, чем р - метод.
Под нагрузками понимаются как внешние и внутренние усилия,
так и граничные условия в виде ограничений на перемещения. В программе ANSYS
нагрузки разделены на следующие категории:
ограничения степеней свободы;
сосредоточенные силы;
поверхностные нагрузки;
объемные силы;
инерционные нагрузки.
Большинство этих нагрузок может быть приложено или к
твердотельной модели (в ключевых точках, по линиям и поверхностям), или к
конечно-элементной модели (в узлах и к элементам). Конкретный вид нагрузок
зависит от вида проводимого анализа (например, приложенная в точке нагрузка
может быть сосредоточенной силой при прочностном анализе или магнитным потоком
при электромагнитном расчете).
При нестационарном анализе полную последовательность нагрузок
полезно разбить на несколько шагов нагружения.
Шаг решения - это изменение счетного шага внутри шага
нагружения; используется главным образом при нестационарном и нелинейном
анализе для улучшения точности и сходимости. Шаг решения также называют шагом
по времени, т.е. шагом, выполняемым в течение некоторого промежутка
времени.
Заметим, что в программе ANSYS понятие время используется
как при нестационарном, так и при стационарном анализе. В первом случае - это
обычная длительность процесса в секундах, минутах или часах. При решении
статических задач время используется как указатель на тот или иной шаг
нагружения или шаг решения.
Для указания допустимых пределов изменения степеней свободы в
узлах модели могут использоваться заданные условия - ограничения. Например, в
соответствии с требованиями электромагнитного анализа могут быть указаны
границы, за которые магнитный поток не выходит.
Кроме возможности задавать ограничения на стадии получения
решения существует возможность делать это при препроцессорной подготовке,
используя твердотельную или конечно-элементную модель. Ограничения степеней
свободы, заданные на твердотельной модели, автоматически передаются программой
в сеточную модель при инициализации процедуры численного решения.
После того, как все соответствующие параметры заданы, может
быть выполнено и само решение. По команде SOLVE программа обращается за
информацией о модели и нагрузках к базе данных и выполняет вычисления.
Результаты записываются в специальный файл и в базу данных. При этом в базе
данных может храниться только один набор результатов, тогда как в файл могут
быть записаны результаты для всех шагов решения.
Программой выполняется решение определяющих уравнений и
получение результатов для выбранного вида анализа. В вычислительном отношении
это самая интенсивная часть анализа, не нуждающаяся, однако, во вмешательстве
пользователя. Она требует самых значительных затрат компьютерного времени и
минимальных затрат времени пользователя.
Для того чтобы получить решение за минимальное время,
программа ANSYS переупорядочивает расположение элементов и узлов.
Постпроцессорная
обработка
В программе ANSYS стадия постпроцессорной обработки
следует за стадиями препроцессорной подготовки и получения решения. С помощью
постпроцессорных средств программы имеется возможность обратиться к результатам
решения и интерпретировать их нужным образом [10,12].
Результаты решения включают значения сил, перемещений,
температур, напряжений, деформаций, скоростей и магнитных потоков, значений
магнитной индукции и т.д.
Итогом работы программы на постпроцессорной стадии является
графическое и (или) табличное представление результатов. Графическое
изображение может быть выведено на монитор в интерактивном режиме во время
постпроцессорной обработки или преобразования в твердую копию.
На стадии получения решения результаты записываются в базу
данных программы ANSYS и в так называемый "файл результатов".
Результаты, полученные на каждом дополнительном шаге решения, накапливаются как
наборы данных.
Количество и тип данных определяются видом выполняемого
анализа и выбором опций, установленных на стадии получения решения.
Типы основных
файлов, создаваемых программой
В процессе моделирования программа ANSYS может создавать
следующие типы файлов [10]:
а) . log - протокольный (журнальный) файл, хранящий
историю работы в виде ANSYS-команд, т.е. полная запись программы
(текстовый файл) на всех этапах решения задачи (препроцессор, решение,
постпроцессор);
б) .inp или .dаt - файл ввода программы при
пакетном (batch) режиме работы;
в) .db или .dbb - база данных программы (бинарный, в
кодировке ANSYS), сохраняет геометрию модели, граничные условия,
решение;
г) .emat - файл матрицы элементов;
д) .grph - файл графики;
е) .err - файл ошибок, содержит все ошибки и
предупреждения, выданные программой в процессе решения;
ж) .mac - файл с макрокомандами;
з) .nod - файл с узлами сетки;
и) .elm - файл с элементами сетки;
к) .rst - бинарный файл, содержащий результаты
прочностного анализа;
л) .rth - бинарный файл, содержащий результаты теплового
анализа;
м) .rmg - бинарный файл, содержащий результаты
электромагнитного анализа;
н) .rfl - бинарный файл, содержащий результаты
гидродинамического анализа;
о) .SI_MPL - файл - библиотека, в котором хранятся
заданные пользователем свойства материала.
3.
Проектирование модели исследуемого объекта
В данном проекте, основной задачей моделирование является
газодинамический расчет различных режимов работы камеры сгорания. Расчет
производился в модуле Multiphysics, обладающем более полными возможностями
моделирования процессов термодинамики газов и жидкостей с возможностью решения
сопряженных задач. В качестве решателя использовался FLOTRAN.
Программа FLOTRAN и модуль FLOTRAN CFD (расчетная
гидрогазодинамика) программы ANSYS предлагают всесторонние инструментальные
средства для анализа двумерных и трехмерных полей потока жидкости или газа.
Численный анализ требует некоторой идеализации модели, что в
конечном итоге приводит к погрешностям расчетов. Эти погрешности тем ниже, чем
более правильно и подробно создана модель - если при моделировании учтено
максимальное число известных фактов о поведении исследуемой конструкции под
нагрузкой. Использование вычислительной техники в роли черного ящика, без
понимания основных процессов и этапов вычислений может привести к значительным
ошибкам. Приступая к исследованиям, инженер должен понять, к какой области
анализа относится данная задача, какая часть всей конструкции должна
исследоваться подробно, какие упрощения можно допустить.
При проектировании модели камеры сгорания в ANSYS, задачу
можно разделить на следующие этапы:
проектирование графической модели объекта;
выбор вида конечно-элементной сетки и её наложение на
графическую модель;
определение граничных условий и нагрузок;
определение вида и параметров решения;
проведение решения и вывод результатов;
анализ полученных результатов решения.
Ниже приведено детальное описание всех этапов создания и
решения конечно-элементной модели.
.1 Построение
графической модели
Графическая модель камеры сгорания была разработана в
прикладном графическом пакете SolidWorks 2004. Она представляет собой двумерную
конструкцию линий, являющихся границами плоскостей радиального сечения форсунки
горелочного устройства и рабочей области камеры сгорания. Для того чтобы иметь
возможность применять модель в пакете ANSYS, она была сохранена в форме IGES -
объекта.
После импортирования файла модели она будет выглядеть, как
показано на рисунке 3.1 Необходимо доработать графическую модель средствами
пакета. Применение графических возможностей препроцессора ANSYS делает
построенную модель более "дружелюбной" к другим компонентам
инженерного пакета, в том числе, исключает возможные проблемы при
импортировании плоскостей из других графических процессоров (SolidWorks, 3D Max
Studio, AutoCAD и других).
Доработка включает в себя:
масштабирование импортированных линий, для соответствия
реальных размеров камеры сгорания, размерам графической модели, выраженных в
единицах СИ;
создание плоскостей, необходимых для последующего нанесения
конечно-элементной сетки;
сжатие номеров графических элементов, для устранения
возможных ошибок при перечислениях или обращениях к ним в дальнейшем.
Создаются две плоскости, в соответствии с рисунком 3.2: одна
из них статическая, не участвует в анализе, представляет собой разрез форсунки
горелочного устройства; другая - рабочая плоскость, радиальный разрез
внутренней полости кольцевой камеры сгорания. Именно на рабочую область будет в
последующем наложена конечно-элементная сетка.
Рисунок 3.1 - Импортированная SolidWorks в ANSYS графическая
модель камеры сгорания
Рисунок 3.2 - Плоскости, созданные средствами препроцессора
ANSYS
Сама по себе, рабочая плоскость является нерегулярной, с
точки зрения геометрии, что является решающим критерием при выборе формы
расчетных элементов.
.2 Наложение
конечно-элементной сетки
Библиотека элементов ANSYS содержит более 150 различных типов
элементов [10,12]. Каждый тип элемента имеет уникальный номер и имя, которое
идентифицирует категорию элемента: BEAM4, PLANE77, SOLID96, и так далее. Как
правило, в различных вариантах программы доступны не все виды элементов. Это
зависит от того, какие виды расчета могут использоваться в данном варианте
программы.
Задача, решаемая в дипломном проекте, относится к разделу
физических задач термодинамики газов. Следовательно, элементы, используемые при
создании конечно-элементной модели, должны соответствовать положениям этого
раздела физики и учитывать требования к получаемым результатам.
Для двумерного газодинамического анализа во FLOTRAN
используем элементы типа FLUID141.
Элемент FLUID141 можно использовать для моделирования
стационарных или нестационарных тепловых систем, которые включают в себя как
жидкие, так и твердые области. В жидкой области решаются уравнения сохранения
для потока вязкой жидкости и энергии, тогда как в твердой области решается
только уравнение энергии. Также элемент FLUID141 можно использовать в анализе
взаимодействия жидкость - твердое тело.
Для элементов FLOTRAN CFD скорости определяются в
соответствии с законом сохранения импульса, давление определяется в
соответствии с законом сохранения массы, температура определяется в
соответствии с законом сохранения энергии.
Используется решатель, реализующий раздельный
последовательный алгоритм, суть которого заключается в раздельном решении для
каждой степени свободы (температуры, давления, скорости и т.д.) системы матриц
полученных конечно элементной дискретизацией основного уравнения. Задача
течения жидкости нелинейная и основные уравнения связаны друг с другом.
Очевидно, что чем меньше размер элемента, тем больше
количество элементов в модели, при этом время вычислений возрастает по
экспоненте, а ошибка вычислений уменьшается, но не до нуля, т.к. с увеличением
числа элементов накапливаются ошибки округления ЭВМ. Линейные элементы требуют
более частой сетки, чем элементы с одним или двумя промежуточными узлами.
Упорядоченная сетка более предпочтительна.
Прямоугольная сетка более предпочтительна, чем сетка с
треугольными элементами. Сетка из треугольных элементов с одним промежуточным
узлом имеет, по крайней мере, ту же точность что и сетка с прямоугольных
элементов. Прямоугольная сетка с одним промежуточным узлом предпочтительнее
аналогичной треугольной, несмотря на больший размер прямоугольных элементов,
аппроксимация смещений кубическим полиномом не требует более мелкой сетки.
Более частая сетка требуется там, где предполагается концентратор напряжения,
редкая сетка может применяться в областях с более постоянными деформациями и
напряжениями, а так же в областях, не представляющих особого интереса.
Нас интересует, прежде всего, уравнения потока и уравнения
энергии, соответственно для анализа акустических свойств камеры сгорания и
распределения температуры.
Так как геометрия камеры является нерегулярной (сложной), то
форма элементов должна иметь треугольную форму, для более равномерного и
точного нанесения сетки. Кроме того, в местах сужений и возможных турбулентных
потоков, частота нанесения сетки должна быть больше, для более точного решения.
В соответствии с данными требованиями, рабочую плоскость
камеры сгорания можно условно разделить на три области: область входа
компонентов; область горения; область ускорения потока.
Каждая из областей должна быть разбита на соответствующее
сложности и требуемой точности количество элементов.
Для того, чтобы плоскость была разбита на элементы, сначала
нужно разбить линии, являющиеся внешними границами областей. У первой области
линии разбиваются с расстоянием между узлами 0.03 (м), у второй - 0.04 (м) и у
третьей - 0.03 (м). Выбор расстояния между узлами должен быть основан на
необходимой точности решения, а также времени выполнения расчетов. Далее
осуществляется выбор формы элементов и вида разбиения. В данном случае применим
треугольную форму, по причинам, обозначенным выше, и выберем свободное
расположение элементов.
Указав нужную нам (рабочую) плоскость, в соответствии с
рисунком 3.3, получаем область с наложенной конечно-элементной сеткой.
Рисунок 3.3 - Нанесенная на рабочую площадь
конечно-элементная сетка
Следующим этапом создания конечно-элементной модели является
задание начальных условий и нагрузок.
.3 Задание
начальных условий и нагрузок
Задание граничных условий - один из ответственных этапов
конечно-элементного анализа. Так, например, жесткое закрепление вдоль одной или
более осей служит для того, чтобы перемещения модели соответствовали
перемещениям реального объекта в заданных точках. При этом перемещения могут
приобретать как нулевые значение - фиксация по всем степеням свободы, так и
ненулевые значения - фиксация по части степеней свободы. Кроме перемещений в
качестве граничных условий могут использоваться нагрузки. Граничные условия
могут прикладываться только к узлам. Максимальное число граничных условий в
узле равно числу его степеней свободы - 3 силы или 3 перемещения. Число
граничных условий должно быть минимально необходимым, не больше. Не следует
фиксировать все степени свободы элемента, не следует прикладывать силу в узле в
том же направлении, в котором зафиксировано смещение. Схема размещения
граничных условий зависит от вида нагружения. Если конструкция имеет оси или
плоскости симметрии, то нет необходимости моделировать конструкцию целиком,
достаточно ее части, имея в виду, что в точках на плоскостях симметрии
соответствующие перемещения равны нулю [12].
Задание начальных условий и нагрузок должно производиться с
учетом того, какие результаты от решения нам необходимы. В данной задаче наиболее
интересующими нас параметрами являются скорость потока и его температура.
Следовательно, основными нагрузками будут скорость (velocity) и температура
(temperature).
К граничным условиям относится задание стенок камеры
сгорания. Скорость узлов у них приравнена к нулю (Vx = 0 и Vy = 0). Допущением
является то, что модель не учитывает излучение, принимаемое стенками от
пламени. Вместо этого, на них наложена термальная нагрузка в виде
функциональной зависимости от значения нагрузок на входящие потоки воздуха и
топливного газа.
Далее необходимо задать значения скорости и температуры на
входящие потоки воздуха и топливного газа. Скорость воздушного потока из
компрессора определяется для каждого сечения входа отдельно, так как скорость -
величина векторная и требует задания координат. В результате простых
геометрических расчетов получены значения каждого из компонентов этих векторов.
Аналогично для входного потока топливного газа определяем направление
результирующего вектора и высчитываем каждую компоненту.
Температуры воздуха и газа задаются в соответствии с
требованиями стабильности пламени, но могут изменяться в экспериментах, если
эти требования еще не сформулированы и подлежат анализу.
В зависимости от значения скорости и температур входных
потоков у нас будут изменяться такие показатели, как температура стенок камеры,
распределение потоков, вид поля распределения температур по плоскости сечения
камеры и другие параметры.
Одно из применений методики, предлагаемой в работе,
заключается именно в изменении данных входных потоков для исследования
геометрии камеры сгорания турбины. Исследование геометрии предполагает выявить
основные элементы конструкции, которые наибольшим образом влияют на
распределение потоков газа в камере. Если по прошествии некоторого числа
экспериментов выясняется, что это влияние нежелательно, то геометрию можно
изменить и начать эксперименты заново. Скорость нахождения оптимума при
необходимости необходимо ускорить аналитическими расчетами.
К сожалению, версия пакета, в которой проводилась разработка
дипломного проекта, не обладает возможностью моделирования реакции горения [8].
Из современных инженерных пакетов серии ANSYS такими возможностями обладает
модуль CFX, который введен в состав полнофункциональной версии ANSYS 10.0.
Исходя из этого, добиться необходимой точности решения, можно только имея в
наличии аналитический тепловой расчет камеры сгорания. В рамках данного
дипломного проекта предполагается создать эмуляцию пламени фиксированного
размера и с варьируемой температурой. Кроме того, чтобы добиться приемлемых
результатов и для расчета переноса вещества, было решено создать поле обратных
скоростей. Поле обратных скоростей имитирует участие в реакции горения
кислорода атмосферного воздуха, который подается компрессором в камеру сгорания.
Параметры этих имитаторов находятся в зависимости от параметров входящих газов.
Зависимость определена опытным путем.
Для того чтобы обозначить выход модели, необходимо задать
нулевое давление на конце жаровой трубы. Это давление является обязательным
граничным условием для решения задачи распределения потоков.
На этом построение конечно-элементной модели камеры сгорания
газовой турбины можно считать завершенным. Результат представлен на рисунке 3.4
Красным цветом показаны нагрузки типа скорость (Velocity), желтым -
температурные (Temperature), зеленым - давления (Pressure).
Рисунок 3.4 - Конечно-элементная модель камеры сгорания
газовой турбины V64.3A
Далее следует выбор стратегии решения и выполнение программой
расчетных итераций.
.4 Подготовка
и проведение расчетов
Расчет термодинамики газов внутри камеры сгорания необходимо
проводить в несколько этапов. Этап в инженерном пакете ANSYS именуется шагом
решения.
Модель, как было указано выше, является нерегулярной.
Вследствие этого, при решении задачи переноса вещества, появляется такое
явление как турбулентность. Расчет турбулентного потока несколько отличается от
расчета ламинарного. Здесь отдельно решаются уравнения переноса вещества и
уравнения энергии вещества. Из этого и вытекает необходимость нескольких шагов.
На первом шаге компоненты переноса не выделяются. Уравнения
переноса решаются с воздухом в системе СИ. Для решения на данном шаге
необходимо небольшое количество итераций и в данном случае оно равно 50.
Командный код этого шага представлен в листинге 1.
Листинг 1 - Первый шаг решения
На втором шаге мы переходим к заданию параметров
многокомпонентного переноса вещества. Компонентами в данном случае будут
являться топливный газ и атмосферный воздух из компрессора. Для этого сначала
задаем количество компонентов и параметры плотности и вязкости с учетом смеси,
включаем опцию многокомпонентного переноса в настройках решателя.
Одна из основных задач на этом шаге это настройка параметров
каждого из компонентов. К настраиваемым параметрам относятся, прежде всего,
физические свойства компонентов, настройки решателя и сходимости результатов
решения. Значения химических и термодинамических свойств компонентов приведены
в таблице 3 и были взяты из справочника [16].
Таблица 3 - Основные свойства компонентов газовой смеси
|
Параметр
|
Топливный газ
|
Воздух из компрессора
|
|
Название
|
gas
|
voz
|
|
Молекулярная масса
|
16.04
|
28.96
|
|
Плотность при нормальных условиях
|
0.7168
|
1.2928
|
|
Варьирование плотности
|
да
|
да
|
|
Вязкость при нормальных условиях
|
1.786E-005
|
1.2067E-005
|
|
Варьирование вязкости
|
да
|
да
|
|
Теплопроводность
|
0.02598
|
0.02674
|
|
Коэффициент массовой диффузии
|
2.601E-005
|
2.149E-005
|
После установки свойств компонентов и настройки решателя
необходимо дополнить спроектированную конечно-элементную модель компонентными
нагрузками, которые определяют пропорции веществ в зонах их притока. В нашем
случае топливный газ и воздух из компрессора предварительно не смешиваются и
поступают в зону распыления "чистыми", т.е. коэффициент присутствия у
каждого будет по единице в своей области. Для воздуха областями, как известно,
являются оба участка сечения вокруг форсунки, а для топливного газа
соответственно выход форсунки.
После задания компонентных нагрузок все настройки
многокомпонентного решения сделаны. Далее необходимо указать число итераций, в
нашем случае их 100. На этом очередной шаг решения завершен. Его командный код
представлен в листинге 2.
Листинг 2 - Второй шаг решения
На следующем этапе необходимо решить уравнение энергии для
получения распределения температур по рабочей области. Для этого отключаем
расчет переноса вещества и включаем опцию решения уравнения энергии.
Для улучшения точности и быстродействия меняем метод решения по
температуре, установленный по умолчанию, на более сложный метод PCCR. Он
наиболее подходит для решения такого рода задач, так как точность его в
турбулентном потоке лучше. Для решения уравнений энергии нам необходимо не
более 50 итераций. Командный код этого шага представлен в листинге 3.
Листинг 3 - Третий шаг решения
! Подготовка к решению уравнений энергии,solu,temp,t! Включить
решатель уравнения энергии вещества,solu,flow,f! заморозить поле
потока,meth,temp,3! Активировать решатель PCCR,conv,temp,1. e-8! Критерий
сходимости для PCCR, iter,exec,50! Для решения необходимо несколько
итераций,relx,temp,1.0! Отсутствует релаксация на температуру! Решение
уравнения энергии
Следующим шагом будет совместное решение уравнений энергии и
переноса вещества. При этом включается опция расчета потоков и устанавливается
необходимое число итераций. Для первичной обработки нужно около 50 итераций.
Полученный результат для улучшения сходимости решения обрабатываем еще раз с числом
итераций 100. Командный код этого шага представлен в листинге 4.
После уведомления об успешном решении, предварительный расчет
камеры сгорания завершен. Данные расчетов можно просмотреть в интерактивном
режиме в основном постпроцессоре (General Post). Но для получения более точного
с физической точки зрения решения, необходимо учесть то, что поток в камере
сгорания является сжимаемым. Это можно определить и из геометрии объекта,
которая имеет вид сопла, и из того, что воздух компрессора нагнетается под
давлением, поступая с очень большой скоростью.
Листинг 4 - Четвертый шаг решения
О том, что поток сжимаемый, можно судить и по выходной скорости
отработавших газов. Если она близка к скорости звука, то поток в сопле считается
сжимаемым. Скорость звука в газе равна примерно 514 (м/с). В нашем расчете
скорость выходного потока составляет примерно 600-750 (м/с). Следовательно,
поток можно считать сжимаемым. Для решения уравнений переноса в этом случае
ANSYS позволяет включить дополнительную опцию расчета сжимаемого потока.
Следующим шагом решения будет применения более сложной модели
турбулентности. Усовершенствование модели турбулентности связано с тем, что
поток, как мы выяснили, является сжимаемым. А для расчета сжимаемых течений
модель по умолчанию не дает эффективного решения.
После просчета 100 итераций с новой моделью, необходимо снова
решить отдельно уравнение энергии. Для этого отключаем опцию переноса вещества
и проводим еще 100 итераций. После завершения просчета, запускаем совместное
решение с тем же числом итераций. Сжимаемый поток рассчитан. Командный код
расчета представлен в листинге 5.
Листинг 5 - Пятый, шестой и седьмой шаги решения
Комплексный расчет камеры сгорания газовой турбины на этом
завершен. Полный листинг программы находится в приложении А.
.5
Определение оптимального коэффициента избытка воздуха
В последнее десятилетие были введены новые нормативные
требования к уровню выбросов вредных веществ наземными газотурбинными
установками (ГТУ) [2]. Самое существенное ограничение касается уровня выбросов
оксидов азота, который не должен превышать 50 мг/нм3 при 15 % O2.
Применение концепции предварительной подготовки топливовоздушной смеси
позволяет снизить эмиссию оксидов азота до уровня, требуемого нормативными
документами. Однако при этом возникает проблема обеспечения устойчивости камеры
сгорания к пульсациям давления, возникающим вследствие случайных турбулентных
возмущений или из-за изменения режима работы камеры сгорания [4].
Ведущие зарубежные фирмы, такие как Rolls-Royce, АBB,
Siemens, решают данную проблему либо за счет системы управления, поддерживающей
постоянное соотношение между расходами воздуха и топлива, поступающими в камеру
сгорания, либо используя системы подавления колебаний давления, включающих в
себя исполнительные механизмы, содержащие подвижные части в топливном и
воздушном трактах камеры сгорания. Применение первого метода уменьшает КПД ГТУ,
а использование систем подавления колебаний значительно увеличивает стоимость
камеры сгорания. Кроме того, применение подвижных частей, работающих с высокой
частотой, снижает надежность камеры сгорания. Поэтому более перспективным путем
решения данной проблемы является применение систем пассивного подавления
автоколебаний, то есть при создании камер сгорания данного типа более
предпочтительным является применение пассивных систем подавления колебаний
давления, в которых не предполагается высокочастотного управления работой
камеры сгорания.
Проблемы устойчивости горения, и в частности проблема
создания пассивной системы подавления автоколебаний, ранее подробно
исследовались для камер сгорания жидкостных реактивных двигателей и для
форсажных камер газотурбинных двигателей. Однако выработанные в данных конструкциях
технические решения не учитывают специфики рабочего процесса камер сгорания с
предварительным смешением топлива. Действительно, уменьшение времени
запаздывания, являющегося также временем смешения, приводит к росту выбросов
оксидов азота. Применение систем шумоглушения, например резонаторов
Гельмгольца, сдерживается их однорежимностью.
Поэтому для успешного применения методов пассивного
подавления колебаний необходима оптимизация конструкции камеры сгорания с
учетом ограничений, накладываемых уровнем эмиссии вредных веществ и
ограничением на потери давления в камерах сгорания данного типа. Для решения
такой задачи необходимо создание математической модели камеры сгорания,
учитывающей ее акустические характеристики.
Подача в камеру воздуха в количестве, теоретически
необходимом, практически не обеспечивает полноты сгорания топлива. Это приводит
к так называемым потерям топлива от химической неполноты сгорания. Поэтому
фактически в топку камеры, как правило, подают воздуха несколько больше, чем
это требуется теоретически. Этот излишек характеризуется коэффициентом избытка
воздуха a,
под которым понимают отношение количества воздуха, действительно подаваемого в
топку, к теоретически необходимому.
С увеличением a возрастают потери тепла
с газообразными продуктами сгорания топлива, удаляемыми в атмосферу, так как
увеличивается их количество. С уменьшением a растут потери от
химической неполноты сгорания топлива. Выбор оптимального значения a зависит от рода топлива,
способа сжигания и конструктивных особенностей камер сгорания и является
технико-экономической задачей.
При проектировании ГТУ коэффициент принимается согласно
установленным нормам, в условиях эксплуатации - устанавливаются
экспериментально. Исходя из опыта применения газовых турбин в промышленности, a принимает значение от 4
до 8.
Разработанная методика решения задачи термодинамики газов в
камере сгорания турбины позволяет произвести оценку оптимального значения
коэффициента избытка воздуха. Это достигается путем проведения ряда
экспериментов с варьированием входных параметров воздуха компрессора и
топливного газа.
Было проведено пять экспериментов для a = 2, 4, 6, 8,10.
Результаты экспериментов представлены в приложении Б.
Камера сгорания этого класса имеет следующие рабочие
показатели [19]:
температура на выхлопе сопла Твых = 1200-1300 (°С);
скорость потока на выходе сопла Vвых = 750 (м/с).
На диаграммах шкала температур имеет размерность Кельвин, а
скорость задана в условных единицах. Одна условная единица 1у. е. = 33 (м/с)
Из приведенных диаграмм можно сделать вывод, что стабильная
работа турбины будет при a = 6. Снижение a приводит к чрезмерному
выбросу топлива, а увеличение - к увеличению температуры выхлопа и возможным
пульсациям пламени.
Диаграммы с коэффициентом турбулентности позволяют оценить состояние
пламени и, следовательно, предвидеть пульсации в камере сгорания или срыв
пламени совсем.
Из экспериментов видно, что даже при моделировании, когда
многие факторы были исключены, результаты решения могут быть использованы на
практике.
Выводы по главе
В результате проектирования была разработана методика
создания конечно-элементной модели камеры сгорания и проведения
термодинамического расчета газовых потоков. Методика позволяет исследовать
работу объекта на различных режимах, вплоть до критических. Варьируя входными
данными по топливному газу и/или по воздуху можно определить оптимальное
соотношение газ-воздух, которое имеет решающее влияние на работу турбины в
целом. Исходя из этого, возможно решение одной из экономических задач -
оптимальный выбор горелочного устройства.
В соответствии с этим был проведен ряд экспериментов по
проверке модели, в результате которых практические данные были подтверждены
виртуальными испытаниями. Для проведения более точных экспериментов, необходимо
усложнять модель. Основным средством в достижении этого является учет тех
факторов, которые в данной работе не были задействованы.
4.
Безопасность и экологичность проекта
Электростанция расположена в черте города Тюмени и
обеспечивает его тепловой и энергетической энергией. Избытки электроэнергии
поступают в сети энергосистемы. Энергия подается в жилые дома и небольшие
предприятия. Тепло поступает в двух формах: в виде пара на промышленные
предприятия использующие пар в производстве и в виде горячей воды отапливаемой
жилые дома [17].
Установленная электрическая мощность - 420 МВт, установленная
тепловая мощность - 1463 Гкал/час.
Основное топливо - природный газ, поступающий с Уренгойского
месторождения.
Резервное топливо - мазут (резервная подача мазута рассчитана
на 3 дня эксплуатации станции).
Сочетание паротурбинных и газотурбинных установок,
объединенных общим технологическим циклом, позволяет снизить потери теплоты с
уходящими газами ГТУ, использовать газы за газовыми турбинами в качестве
подогретого окислителя при сжигании топлива в паровом котле, получить
дополнительную тепловую и электрическую мощность за счет частичного вытеснения
регенерации паровых турбоустановок и, в конечном итоге, повысить КПД
электростанции.
Кроме того, использование современных парогазовых технологий
обеспечивает существенное снижение вредных выбросов в окружающую среду,
значительную экономию газового топлива за счет высокого коэффициента
использования топлива и низких удельных расходов на производство электроэнергии
и тепла.
Так как основная цель проекта заключается в исследовании
объекта, анализа его поведения на различных режимах, то безопасность проекта
имеет весьма важное значение. Прежде всего, необходимо решить задачу снижения
риска экологических и техногенных катастроф. Не стоит забывать и об
экологической значимости проекта и условиях труда персонала предприятия.
.1
Характеристика условий труда
Автоматизированное рабочее место инженера I категории
представляет собой операторский ПЭВМ, обеспечивающий работу специалиста в
операторной энергоблока. Условия труда описаны в таблице 4.
Таблица 4 - Характеристика условий труда
|
Показатель
|
Значение
|
|
Объем помещения, м3
|
6х10х3,5=210
|
|
Характеристика тяжести работы
|
Средняя
|
|
Площадь помещения, м2
|
60
|
|
Тип системы вентиляции
|
общеобменная
|
Фактическое состояние условий труда оператора по степени
вредности и опасности на рабочем месте представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Степень вредности и опасности на рабочем месте
|
№
|
Наименование
|
Ед. изм.
|
Фактическое значение
|
Допустимое значение
|
|
Физические факторы
|
|
1
|
Шум
|
дБА
|
58-60
|
60
|
|
2
|
Температура воздуха
|
°С
|
24,0
|
22,0-24,0
|
|
3
|
Скорость движения воздуха
|
м/с
|
<0.1
|
0.1
|
|
4
|
Естественное освещение
|
КЕО, %
|
1,5
|
1,5
|
|
5
|
Относительная влажность
|
%
|
40
|
40-60%
|
|
6
|
Освещённость
|
лк
|
260-520
|
300-500
|
|
Химические факторы
|
|
1
|
Азбестосодержащая пыль
|
мг/м3
|
5
|
2
|
|
2
|
Серная кислота
|
мг/м3
|
Не выявлен
|
1
|
|
3
|
Аммиак
|
мг/м3
|
Не выявлен
|
20
|
Также имеют место и другие вредные производственные факторы:
ионизирующее излучение;
высокая напряженность электромагнитного поля;
повышенный уровень вибрации.
Также в зоне работы могут иметь место опасные
производственные факторы:
вращающиеся и движущиеся машины, и механизмы, подвижные части
оборудования;
повышенная температура поверхностей оборудования;
расположение на территории производства сосудов высокого
давления;
напряжение в электроустановках и электрической цепи;
расположение устройств на высоте более 1,3м относительно
поверхности пола, земли;
газоопасные места;
химически агрессивные, едкие и ядовитые вещества при работе
на оборудовании химического цеха такие, как: негашеная известь, коагулянт,
кальцинированная сода и фосфат натрия, гидразингидрат, серная кислота, соляная
кислота, аммиак.
Для защиты от воздействия опасных и вредных производственных
факторов необходимо применять соответствующие средства защиты:
при повышенном уровне шума нужно применять противошумные
наушники, вкладыши "Беруши";
при нахождении рядом с вращающимися механизмами или работе на
станках с вращающимися элементами не должно быть развевающихся частей одежды,
которые могут быть захвачены движущимися частями механизмов;
при необходимости нахождения вблизи горячих частей
оборудования следует принять меры по защите от ожогов и действия высоких
температур (ограждение оборудования, вентиляция, теплая спецодежда, душирующие
установки);
при выполнении работ на участках с температурой воздуха выше
32°С необходимо применять режим труда с интервалами времени для отдыха и
охлаждения;
при повышенной запыленности воздуха рабочей зоны необходимо
работать в противопылевом респираторе;
при нахождении в помещениях с действующим технологическим
оборудованием (за исключением щитов управления ТГ) необходимо носить защитную
каску для защиты головы от ударов случайными предметами;
при работе на высоте более 1,3 м над уровнем пола (земли)
площадки - предохранительный пояс и страховочный канат или работать с лесов;
при недостаточной освещенности рабочей зоны следует применять
дополнительное местное освещение (фонари, переносные электрические
светильники);
для защиты от действия электрического тока служат электрозащитные
средства; диэлектрические перчатки, галоши, ковры, подставки, накладки,
колпаки, переносные заземляющие устройства, указатели напряжения,
слесарно-монтажный инструмент с изолирующими рукоятками, плакаты и знаки
безопасности;
при повышенном уровне вибрации необходимо применять режим
труда с интервалом времени для отдыха, в зоне с нормальными условиями;
при выполнении работ в газоопасной зоне необходимо работать
инструментом, исключающим возможность искрообразования (из цветного металла или
из черного металла, обильно смазанного солидолом или другой смазкой), при
необходимости использовать шланговые противогазы или самоспасатели;
при обслуживании и ремонте оборудования химического цеха
персонал должен знать свойства основных применяемых в производстве химически
агрессивных, едких и ядовитых веществ, меры безопасности при работе с ними и
пользоваться специальными защитными очками, фартуками и перчатками из
материалов, стойких к действию вышеназванных веществ.
Приборы, инструмент и средства защиты, используемые для
обеспечения работоспособности устройств, следует переносить в сумке или ящике,
острые части инструмента необходимо содержать в закрытых чехлах.
Оператор должен работать в спецодежде и применять другие
средства защиты, выдаваемые в соответствии с действующими отраслевыми нормами,
а также в зависимости от характера выполняемых работ.
Оператору должны выдавать бесплатно согласно отраслевым
нормам следующие средства индивидуальной защиты:
костюм хлопчатобумажный - на 12 мес.;
каска защитная - на 2 года;
очки защитные - до износа;
"беруши" - до износа;
куртка х/б на утепляющей прокладке - на 2 года;
ботинки кожаные - на 12 мес.
.2 Расчет
искусственного освещения
Рациональное освещение производственных и других помещений
оказывает положительное психофизическое влияние на работающих, способствует
повышению производительности труда, обеспечению его безопасности, сохранению
высокой работоспособности человека. Свет оказывает положительное влияние на
эмоциональное состояние человека, воздействует на обмен веществ,
сердечно-сосудистую систему, нервно-психическую сферу [1].
Освещение производственных помещений характеризуется
количественными и качественными показателями.
К количественным показателям относятся: лучистая энергия и
лучистый поток, световой поток, сила света, яркость и освещенность.
К качественным показателям зрительных условий работы можно
отнести: угол, контраст между объектом и фоном, видимость, показатель
ослепленности, коэффициент пульсации освещенности и показатель дискомфорта.
При подборе источников света и размещении рабочих мест в
помещении следует ограничивать прямую блесткость от источников освещения, при
этом яркость светящихся поверхностей (окна, светильники и др.), находящихся в
поле зрения, не должна быть более 200 Кд/м2.
Для освещения помещений с мониторами и ПЭВМ рекомендуется
применять светильники серии ЛПО36 с зеркализованными решетками,
укомплектованные высокочастотными пускорегулирующими аппаратами (ВЧ ПРА).
Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается.
Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения
от 50° до 90° с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна
составлять не более 200 Кд/м2, защитный угол светильников должен
быть не менее 40°. Светильники местного освещения должны иметь не
просвечивающий отражатель с защитным углом не менее 40 градусов.
Коэффициент пульсации не должен превышать 5%, это можно
обеспечить применением газоразрядных ламп в светильниках общего и местного
освещения с высокочастотными пускорегулирующими аппаратами (ВЧ ПРА) для любых
типов светильников. При отсутствии светильников с ВЧ ПРА лампы многоламповых
светильников или рядом расположенные светильники общего освещения следует
включать на разные фазы трехфазной сети.
Источники,
виды и системы искусственного освещения
Для искусственного освещения производственных помещений
обычно применяют газоразрядные лампы (люминесцентные низкого давления, дуговые
ртутные, металлогалогенные и ксеноновые - высокого давления).
Газоразрядные лампы имеют высокую светоотдачу (до 100 лм/Вт)
и большой срок службы. Серийно выпускаются люминесцентные лампы низкого
давления, различающиеся спектральным составом света:
ЛД (дневного света);
ЛДЦ (дневного света с улучшенной цветопередачей);
ЛБ (белого света);
ЛТБ (теплого белого света);
ЛХБ (холодного белого света).
Расчет
искусственного освещения с помощью коэффициента использования светового потока
Задача расчета состоит в определении типа, числа и мощности
светильников, необходимых для получения заданной освещенности.
Для расчета лучше подходит определение освещенности с помощью
коэффициента использования светового потока, так как в данном случае
соблюдается два условия: равномерное освещение горизонтальных поверхностей и
отсутствие крупных затеняющих предметов [1].
Основная формула для расчетов имеет вид:
, (4.1)
где E - нормируемая освещенность, лк, при классе и
подклассе зрительной работы 4В (E=200 лк);- коэффициент запаса, для
газоразрядных светильников (k3=1.5);- освещаемая площадь, м2 (S
= 60 м2);- коэффициент неравномерности освещения (для люминесцентных
ламп z=1.1);- число ламп в светильнике (n=2);- число светильников (N=6);
h - коэффициент использования светового потока.
Находим индекс помещения:
, (4.2)
где A,B,h - соответственно длина, ширина, высота подвеса
светильников над рабочей поверхностью.
В соответствии с формулой (4.2) получаем индекс помещения I = 1,5.
Коэффициент отражения потолка rп принимаем 70 %.
Коэффициент отражения стен rст принимаем 60 %.
В соответствии с полученными значениями выбираем коэффициент
использования светового потока (для светильников, снабженных люминесцентными
лампами) h=58 %.
Подставляя данные в формулу (4.1) получаем значение освещенности:
.
Исходя из полученного результата, можно сделать вывод, что в
данном случае подходят люминесцентные лампы ЛБ 40.
Основные характеристики ламп следующие:
мощность 40 Вт;
световой поток 3000 лм;
световая отдача 75 лм/Вт.
Точное число светильников рассчитывается по формуле:
. (4.3)
Подставляя значение, полученное из расчета формулы (4.1) в формулу
(4.3), находим точное число светильников:
.
Следовательно, для данного помещения достаточно 6 светильников ЛБ
40 (по 2 лампы в светильнике).
Схема расположения светильников приведена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Схема расположения светильников
Светотехнические расчеты являются основополагающими при
проектировании осветительных установок.
.3 Оценка
экологичности проекта
Выхлоп газовой турбины, когда энергоблок работает по схеме
ПГУ, поступает в топку энергетического котла.
Основными контролируемыми параметрами выхлопа являются в
частности концентрация оксида азота.
Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива
производиться по формуле [11]:
, (4.4)
где B - расход топлива, (т/год);
- теплота сгорания натурального топлива, (МДж/кг);
- коэффициент, зависящий от мощности котлоагрегата;
- коэффициент, характеризующий изменение выброса загрязняющих
веществ в результате введения автоматизированных средств.
Вышеперечисленные коэффициенты для природного газа: 
(МДж/кг), 
, 
.
Расход газа на котел в год 
.
Рассчитаем массу выбросов в соответствии с формулой (4.4):
Концентрация равна 
= 0.077 (
).
Предельно допустимая концентрация равна 0.085 ().
Плата за выброс рассчитывается по следующей формуле:
, (4.5)
где 
- масса выброса в тоннах;
- коэффициент экологичности;
- коэффициент индексации.
Необходимые параметры имеют следующие значения: 
, 
, 
, 
.
Подставляя эти значения в формулу (4.5) получаем расходы за выброс
загрязняющих веществ:
.
Исходя из полученных результатов, следует, что введение
автоматизации приводит к снижению вредных выбросов и, соответственно,
уменьшению платы за них.
.4 Оценка
чрезвычайных ситуаций
Рассматриваемый теплоэнергетический объект связан с высокой
экологической опасностью, а в частности:
выброс вредных и химически активных веществ в окружающую
среду в случае аварии;
взрывы и разрушение прилегающих к производственной территории
объектов и строений;
в случае масштабной аварии возникает реальная опасность
прекращения подачи тепла в теплосети, также перебои с подачей электроэнергии;
Проведение анализа и моделирования критических режимов работы
объекта, рассматриваемых в проекте, существенно снижает вероятность
происхождения вышеперечисленных аварий. Это связано с тем, что результаты
моделирования могут быть учтены как на стадии проектирования газовой турбины,
так и при эксплуатации и применении средств автоматизации, для более надежного
контроля состояния объекта и своевременной реакции на аварийные ситуации.
Помещение газовой турбины находится в главном здании - цехе.
Цех представляет собой железобетонное здание, которое можно условно разделить
на три основные части:
первый энергоблок ПГУ-190/220;
турбинное отделение;
котельное отделение.
Первый энергоблок снабжен собственными системами
пожаробезопасности и аварийных ситуаций. Отделение газовой турбины находится на
нижней отметке.
Краткая характеристика пожарной безопасности этого здания
приведена в таблице 6.
Таблица 6 - Оценка пожаробезопасности основного здания
|
Наименование объекта
|
Категория здания
|
Краткая характеристика здания
|
Степень огнестойкости здания
|
Сгораемые материалы
|
Класс пожара
|
|
Цех
|
Г
|
Железобетонное здание со стальным каркасом,
крышей из листовой профилированной стали. Котлы, турбины, Электроустановки
высокой мощности. Электрические кабели.
|
I
|
Мазут, Газ - пропан, Изоляционная лента
|
Е
|
Помещение газовой турбины оснащено системой автоматического
газового пожаротушения, которая идет в комплекте поставки турбоагрегата.
Рассмотрим краткие характеристики системы.
Углекислый газ является бесцветным, не имеющим запаха,
электрически не проводящим, инертным газом, пригодным для тушения пожара. Для
того чтобы гасить пожар посредством СО2, необходимо увеличить
концентрацию по объёму до 34% и более. Требуемое количество СО2
передаётся на защищённый участок по системе трубопроводов. Специальные форсунки
для СО2 распространяют СО2 (внутри трубопроводов имеет
жидкую форму) по защищённому участку. Выпуск СО2 может создать
опасность для персонала в виде кислородного голодания и пониженной видимости.
Системы пожаротушения на СО2 используются для
защиты дорогостоящего оборудования, которое может быть повреждено системой
пожаротушения на воде. Газ СО2 из системы противопожарной защиты
выпускается внутри герметизированного корпуса с оборудованием с интенсивностью,
создающей расчётную концентрацию (изначально 37%), чтобы обеспечить полное
погашение огня.
Система пожаротушения на СО2, приводимая в
действие от щита пожарной сигнализации, состоит из электромагнитного клапана,
управляемой подачи газа (баллоны), трубопроводов и форсунок. Каждая система
включается посредством датчиков пожарной сигнализации, размещённых двойной
петлёй или крестовой зоной (две отдельных петли датчиков в защищённой области).
Аварийный сигнал с каждой линии должен срабатывать до выпуска СО2.
Таким образом, система может быть приведена в действие либо с помощью нажимной
кнопки ручного пуска на входах корпуса, либо путём механического пуска на
станции баллонов (резервуаров).
Автоматическое управление системы пожаротушения на СО2
действует следующим образом.
В случае если на защищённом участке срабатывает только одна
линия аварийной сигнализации, происходит следующая цепь событий:
включение звукового аварийного сигнала (сирена с первичным
предупреждающим звуковым сигналом), мигающие лампы внутри корпуса и панели с
подсветкой на входах;
общая звуковая и индивидуальная визуальная аварийная
сигнализация на щите пожарной сигнализации.
Если включается датчик на второй линии на защищённом участке
или, если был задействован ручной пуск, происходят следующие дополнительные
события:
включение звуковой предупреждающей сигнализации выпуска газа
(вторичный звуковой сигнал или звук сирены);
включение общей звуковой и индивидуальной визуальной
аварийной сигнализации на щите пожарной сигнализации.
Срабатывание временной задержки выпуска газа позволяет
персоналу в течение приблизительно 30 секунд покинуть защищённый участок
(помещение). При ручном пуске времени меньше, около 10 секунд.
Кнопки аварийного прерывания предусмотрены на каждом входе на
участки, защищённые СО2. Данные кнопки остановят запуск системы
только в том случае, если они нажаты до того, как сработал датчик на второй
линии. Если процесс пожаротушения начат, его нельзя остановить. Только
постоянное нажатие кнопки аварийного прерывания предотвратит приведение системы
в действие.
Сервисный выключатель (блокировка) предусмотрен на станции СО2
для того, чтобы вручную выключить систему во время ввода в эксплуатацию или
техобслуживания.
Выводы по
разделу
Внедрение данного проекта призвано улучшить понимание
процессов, происходящих в объекте, что обуславливает более надежный
автоматический контроль за состоянием газовой турбины. Это в свою очередь
призвано уменьшить влияние человеческого фактора на ход технологического
процесса и вероятность аварии из-за ошибки персонала. Кроме того, применение
разработанной методики при проектировании газовых турбин, призвано обеспечить
низкую аварийность, улучшить безотказность работы и качество изготовления
агрегата.
Особая важность проекта заключается в возможности улучшение
экологичности установки, путем расчета оптимальных параметров потоков
отработавших газов на основе построенной модели камеры сгорания.
Также необходимо строго соблюдать требования электрической и
противопожарной безопасности.
5.
кономическая эффективность проекта
5.1 Источники
экономической эффективности
Технологии виртуального моделирования и анализа являются
действенным средством повышения эффективности и надежности изготовляемых
установок и изделий. В условиях недавно возникшей конкуренции на рынке
промышленных газовых турбин как отечественного, так и зарубежного производства
актуально повышение качества изготовления ГТУ и уменьшение вероятности ошибок
на этапе проектирования.
Предложенный проект носит в большей степени исследовательский
характер, что накладывает свои ограничения на экономическую обеспеченность
работы. Для того, чтобы определить экономическую целесообразность приведен
расчет затрат на проектирование и разработку модели, и дана абстрактная оценка
эффекта при проектировании и эксплуатации газовых турбин.
Разработка модели камеры сгорания газовой турбины в
инженерном пакете ANSYS позволяет сократить время на проектирование, разработку
и доводку реального объекта моделирования, предсказать возможные места
аварийных ситуации и поведение объекта на тех или иных режимах работы.
При получении результатов расчета предприятием изготовителем
могут иметь место следующие эффекты: выбор наиболее оптимальных горелочных
устройств при меньших количествах испытаний; выбор оптимальной геометрии и
материалов стенок камеры сгорания без проведения сложных аналитических расчетов
и множества испытаний для каждого образца.
Так же нужно учитывать экономию средств при доводке и
эксплуатации объекта моделирования на предприятии заказчике.
5.2 Расчет
единовременных затрат
В общем случае единовременные затраты предприятия
изготовителя определяются как затраты на разработку и программирование задачи,
и представлены в следующей формуле [7]:
, (5.1)
где Краз - затраты на разработку системы, руб.;
Кпрог - затраты на программирование, руб.
Перечень исходных данных предприятия разработчика для расчета
единовременных затрат представлен в таблице 7.
Таблица 7 - Данные для расчета единовременных затрат
предприятия разработчика
|
№
|
Показатель
|
Значение
|
|
1
|
Заработная плата разработчика, руб.
|
15000
|
|
2
|
Коэффициент доплат к заработной плате, доли ед.
|
0,2
|
|
3
|
Районный коэффициент, доли ед.
|
0,15
|
|
4
|
Коэффициент отчисления в социальные фонды, доли
ед.
|
0,26
|
|
5
|
Время разработки системы, месяцы
|
3
|
|
6
|
Время использования ЭВМ для разработки
программы, час
|
450
|
|
7
|
Коэффициент накладных расходов, доли ед.
|
0,04
|
|
8
|
Годовой фонд работы ЭВМ, час
|
1800
|
|
9
|
Годовой фонд оплаты труда персонала
обслуживающего ЭВМ, р.
|
72000
|
|
10
|
Норма амортизационных отчислений ЭВМ, доли ед.
|
0,12
|
|
11
|
Норма амортизационных отчислений здания, доли
ед.
|
0,02
|
|
12
|
Площадь занимаемая ЭВМ, м2
|
6
|
|
13
|
Стоимость одного м2 здания, руб.
|
5500
|
|
14
|
Стоимость ЭВМ, руб.
|
35000
|
|
15
|
Коэффициент накладных расходов на экспл. ЭВМ,
доли ед.
|
0,04
|
|
16
|
Потребляемая мощность ЭВМ, Вт
|
350
|
|
17
|
Стоимость кВт/часа, руб.
|
0,92
|
|
18
|
Коэффициент затрат на ремонт ЭВМ (от
стоимости), доли ед.
|
0,05
|
|
19
|
Затраты на материалы для эксплуатации ЭВМ, руб.
|
1140
|
|
20
|
Коэффициент затрат на содержание ЭВМ, доли ед.
|
0,15
|
|
21
|
Ставка НДС, доли ед.
|
0,18
|
|
22
|
Коэффициент перевода единиц времени
|
168
|
|
23
|
Коэффициент интенсивного использования мощности
ЭВМ
|
0,75
|
Произведем расчет затрат на постановку задачи моделирования,
представленные в следующем виде:
, (5.2)
где
Зо - месячный оклад разработчика, р.;
Траз - трудоемкость разработки проекта и проектной
документации, ч×мес.;
Кд, Кр - соответственно коэффициенты доплат
к заработной плате и районный, доли ед.;
Ксн - коэффициент отчислений на социальные нужды, доли
ед.;
Кн. раз - коэффициент накладных расходов, доли ед.
Перечень элементов трудоемкости разработки представлен в таблице
8.
Таблица 8 - Трудоемкость отдельных видов работ
|
Стадии разработки
|
Трудоемкость, чел. месяц
|
|
1. Изучение патентов
|
0.2
|
|
2. Изучение литературных источников
|
0.5
|
|
3. Разработка технического задания
|
0.3
|
|
4. Разработка эскизного проекта
|
0.2
|
|
5. Разработка технического проекта
|
0.3
|
|
6. Разработка рабочего проекта
|
1
|
|
7. Внедрение проекта
|
0.3
|
Рассчитаем Краз по формуле (5.2):
Далее произведем расчет затрат на программирование модели и её
решение. Затраты на разработку программной модели и её решение можно рассчитать
следующим образом:
, (5.3)
где Тпрог - время на создание программы, мес.;
Кн. прогр - коэффициент накладных расходов, доли ед.;мч
- стоимость машино-часа ЭВМ, р.;
Кч - коэффициент перевода единиц времени.
Стоимость машино-часа ЭВМ рассчитывается по формуле:
, (5.4)
где Sэкс - годовые эксплуатационные расходы, связанные
с обслуживанием ЭВМ, р.;
Тпол - годовой фонд работы ЭВМ, час.
Эксплуатационные расходы рассчитываются по формуле:
экс =
12×ЗП × (1 + Кд) × (1 + Кр) × (1 + Ксн) + А + Тр +
Э + М + Нрэкс, (5.5)
где ЗП - месячная оплата труда всего обслуживающего персонала в
сумме, р.;
А - амортизационные отчисления от стоимости ЭВМ и здания, р. /год;
Тр - затраты на ремонт, р/год;
Э - затраты на электроэнергию, р/год;
М - затраты на материалы, р.;
Нрэкс - накладные расходы, связанные с эксплуатацией
ЭВМ, р/год.
Затраты на амортизацию вычисляются по формуле:
А = Кэвм×Нэвм + Сзд×Sзд×Нзд, (5.6)
где Кэвм - балансовая стоимость ЭВМ, р.;
Нэвм - норма амортизационных отчислений от стоимости
ЭВМ, доли ед.;
Сзд - стоимость 1 м2 здания, р/м2;зд
- площадь, занимаемая ЭВМ, м2;
Нзд - норма амортизационных отчислений от стоимости
здания, доли ед.
Затраты на ремонт вычислим по формуле:
Тр = Кэвм × Ктрэвм, (5.7)
где
Ктрэвм - коэффициент, учитывающий затраты на ремонт
ЭВМ.
Затраты на электроэнергию, потребляемую ЭВМ за год эксплуатации
определяем по формуле:
Э = Ц×Тпол×N×Км, (5.8)
где Ц - цена за один кВт×ч электроэнергии, р.; N - потребляемая мощность, кВт; Км
- коэффициент интенсивного использования мощности вычислительной техники.
В годовые эксплуатационные затраты по обслуживанию ЭВМ входят
также накладные расходы, которые рассчитываются по формуле:
Нрэкс = 12×Зо×
(1 + Кд) × (1 + Кр)
×Кнэкс, (5.9)
где Кнэкс - коэффициент накладных расходов, связанных с
эксплуатацией ЭВМ.
Затраты на материалы определяем по формуле:
, (5.10)
где i - вид материала; Цi - цена i-того
материала, р.; Мi - количество i-го материала.
Расчет может быть представлен в виде таблице 9.
Таблица 9 - Перечень и стоимость материалов используемых ЭВМ
|
Наименование материала
|
Количество в год
|
Цена за ед., р.
|
Стоимость, р.
|
|
Гибкие магнитные диски, штук
|
6
|
15
|
90
|
|
Тонер
|
2
|
150
|
300
|
|
Бумага, пачек.
|
4
|
150
|
600
|
|
Салфетки обтирочные
|
10
|
15
|
150
|
|
Итого
|
1140
|
Подставив данные из таблицы 7 в (5.6) получаем затраты на
амортизацию (А):
А = 35000×0,12 + 5500×6×0,02 = 4860 (руб).
Подставив данные из таблицы 7 в (5.7) получаем затраты на
ремонт:
Тр = 35000×0,05 = 1750 (руб).
Подставив данные из таблицы 7 в (5.8) получаем затраты на
электроэнергию:
Э = 0,92×1800×0,350×0,75 = 434,7 (руб).
Подставив данные из таблицы 7 в (5.9) получаем накладные
расходы:
Нрэкс = 12×15000× (1 + 0,2) × (1 + 0,15) ×0,04 = 9936 (руб).
Расчет затрат на материалы представлен в виде таблицы 9: М =
1140 (руб). Подставив результаты расчетов (5.6), (5.7), (5.8), (5.9), (5.10) в
(5.5) получим эксплуатационные расходы Sэкс:
экс = 72000× (1 + 0,2) × (1 + 0,15) × (1 + 0,26) + 4860 + 1750
+ 434,7 + 1140
+ 9936 = 134518,30 (руб).
Подставив данные из таблицы 7 и результат вычислений (5.5) в
формулу (5.4) получим стоимость одного машино-часа (Смч):
Смч = 134518,30/1800 = 74,73 (руб).
Исходя из полученных результатов для (5.4) и исходных данных
таблицы 7 находим капитальные затраты на разработку программной модели и её
решение (Кпрог):
Кпрог = 15000×1,3× (1 + 0,2) × (1 + 0,15) × (1 + 0,26) × (1 + 0,04) +
+ 74,73 ×1,3×168 = 45706,75 (руб).
В итоге единовременные затраты составляют:
К = Краз + Кпрог = 40687,92 + 45706,75
= 86394,67 (руб).
5.3 Оценка
экономической целесообразности и выводы по разделу
Проектирование какого либо промышленного агрегата связано,
прежде всего, с аналитическими расчетами и испытаниями. Для камеры сгорания ГТУ
основными значимыми параметрами, которые влияют на стоимость проектирования и
изготовления, являются:
определение оптимальной геометрии стенок камеры сгорания;
оптимальный выбор материала стенок камеры сгорания;
оптимальный выбор горелочного устройства.
Конечно-элементное моделирование призвано, прежде всего,
дополнить, а в некоторых случаях и заменить, уже существующие методы оценки
оптимальности выбора того или иного устройства или параметра.
Фактор цены является одним из основных критериев при
проектировании камер сгорания. В настоящее время существует возможность
применять весьма дорогостоящие материалы с уникальными теплофизическими
свойствами, но цена их бывает зачастую, слишком неприемлемой. Предприятие
изготовитель может осуществить оптимальный выбор из ряда доступных материалов,
основываясь на результатах вычислений разработанной в данном дипломном проекте
программы.
Определение геометрии стенок камеры весьма трудоемкий
процесс. От неё, так или иначе, зависят такие показатели работы ГТУ как
экологичность, КПД и надежность агрегата в целом. Методика проведения
газодинамического расчета, предложенная в данном проекте позволяет, меняя
геометрию, проследить за акустическими свойствами, тепловым распределением и
другими параметрами камер сгорания.
Посчитать экономический эффект от применения моделей,
разработанных по методике данного проекта, на стадии проектирования газовой
турбины довольно сложно. Речь идет об уменьшении количества испытаний
оборудования, уменьшении количества создаваемых опытных образцов.
Например, при проектировании или выборе горелочного
устройства предполагается создание или закупка до шести опытных образцов.
Стоимость каждого образца, в среднем около 1 млн. рублей. При классическом
подходе к задаче каждый образец проходит ряд дорогостоящих испытаний по
каким-либо критериям (максимальная производительность, устойчивость пламени,
стабильность образования смеси, влияние на количество окислов в выхлопе турбины
и др.). После чего делается оптимальный выбор горелочного устройства и его
доработка, если необходимо.
С использование конечно-элементной модели камеры сгорания
можно свести к минимуму число испытаний, путем уменьшения количества образцов.
Все опытные образцы, с известными расчетными показателями, проходят испытания
на модели. После чего, учитывая точность моделирования, выбираются несколько
горелочных устройств, являющихся близкими к оптимальным по полученным
результатам.
Эффект от моделирования сохраняется и на стадии эксплуатации
газовых турбин. Возможность анализа различных режимов работы на основании
полученных результатов решения позволяет создавать и усовершенствовать методики
разгона и торможения, переходов между режимами работы ГТУ. Снимая показатели
текущей работы турбины, можно предсказать возможные аварийные ситуации или необходимость
в ремонте, или перенастройке системы автоматизации.
Камера сгорания является наиболее чувствительным и одним из
самых дорогих элементов всей конструкции газовой турбины. Оптимальная настройка
всех параметров камеры является актуальной задачей современной газотурбинной
промышленности. В этой связи, применение инженерных пакетов типа ANSYS,
гармонично дополняют уже существующие методики проектирования и разработки,
позволяя без дорогостоящих испытаний, сузить область поиска оптимальных
решений. Оптимальность здесь, подразумевает и экономичность, как критерий.
Заключение
В данном дипломном проекте была разработана методика
построения конечно-элементной модели кольцевой камеры сгорания газовой турбины
при использовании инженерного пакета ANSYS. Методика позволяет проводить
газодинамический анализ камеры, и использовать программу расчетов для анализа
различных режимов работы газовой турбины.
Исходя из проведенной работы с литературой и средствами
массовой информации, общения с инженерами на предприятиях авиастроения и
промышленности был сделан вывод, что направление виртуального моделирования
является на сегодня актуальной задачей современной газотурбинной
промышленности.
Был проведен ряд экспериментов на примере ГТУ производства
фирмы "Siemens" серии V64.3A [20], которые показали состоятельность
данной методики при анализе оптимальности коэффициента избытка воздуха.
Точность модели небольшая, но и она позволяет сделать оценку критических
режимов работы по основным показателям работы камеры сгорания, это скорость
потока на выходе из камеры, температура на выходе и общее состояние пламени (по
турбулентной диаграмме).
В результате оценки экономической эффективности, было
выяснено, что экономия затрат при проектировании высчитывается довольно сложно,
но по общим соображениям речь идет о существенной экономии на испытаниях и
доводке камер сгорания.
Список
использованных источников
1 Безопасность
жизнедеятельности и промышленная безопасность: Учебное пособие / Под ред. проф.
В.Д. Шантарина - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001. - 308с.
2 Вестник"
Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.
Королева, №2 - Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции
"Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей".
Самара: СГАУ, 2002. - 111с.
Зенкевич
О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 541с.,
ил.
Кашапов
Р.С., Максимов Д.А., Скиба Д.В., Куликов С.В., Баштанников М.Н. Исследование
автоколебаний давления в камере сгорания с предварительным смешением топлива //
Газотурбинные технологии №4 (13). Рыбинск, 2001. С.34-37.
Латыпов
Р.Ш. Вопросы рациональной эксплуатации газотурбинных установок: Учебное
пособие. Уфа: УГНТУ, 2000. - 100с.
Методические
указания по дипломному проектированию для студентов очного и заочного обучения
специальности 220201 - Управление и информатика в технических системах. -
Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. - 28с.
Методические
указания к оценке экономической эффективности автоматизированных систем в
курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности АСОиУ, АТП,
УИТС дневного и заочного обучения - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 33с.
"Моделирование
процессов горения в ANSYS CFX. Хитрых Д., "ANSYS Solutions. Русская
редакция" № 3 (май) '2006.
Норри
Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. - М.: Мир,
1981. - 304с., ил.
Справочная
система CAE-пакета ANSYS.
Старикова
Г.В., Столбова Н.В., Дорофеева Э.С. Охрана окружающей природной среды: Учебное
пособие. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. - 94с.
Чигарев
А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ. пособие. М.:
Машиностроение-1, 2004, 512с.
13 www.ansys.
spb.ru <#"669588.files/image078.gif">
Рисунок Б.4 - Диаграмма поля распределения температур в
камере сгорания газовой турбины V64.3A (a = 8)
Рисунок Б.6 - Диаграмма векторного поля распределения
скоростей (a = 8)
Рисунок Б.7 - Диаграмма поля распределения температур в
камере сгорания газовой турбины V64.3A (a = 10)
Рисунок Б.8 - Диаграмма кинетической энергии турбулентности (a = 10)
Рисунок Б.9 - Диаграмма векторного поля распределения
скоростей (a = 10)
Рисунок Б.10 - Диаграмма поля распределения температур в
камере сгорания газовой турбины V64.3A (a = 4)
Рисунок Б.11 - Диаграмма кинетической энергии турбулентности
(a
= 4)
Рисунок Б.12 - Диаграмма векторного поля распределения
скоростей (a = 4)
Рисунок Б.13 - Диаграмма поля распределения температур в
камере сгорания газовой турбины V64.3A (a = 2)
Рисунок Б.15 - Диаграмма векторного поля распределения
скоростей (a = 2)