Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Брезгин Дмитрий Витальевич. Совершенствование методов расчета и проектирования маслоохладителей паротурбинных установок : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.12 / Брезгин Дмитрий Витальевич; [Место защиты: Ур. гос. техн. ун-т].- Екатеринбург, 2009.- 147 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2040

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Основные обозначения, сокращения и комплексы 4

Введение 8і

1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования 13

  1. Конструкции серийных маслоохладителей паротурбинных установок 13

  2. Методики теплогидравлического расчета маслоохладителей паротурбинных установок 23

  3. Исследование проницаемости технологических зазоров в маслоохладителях паротурбинных установок 29

  4. Сопоставление результатов испытаний и тегаюгидравлических расчетов маслоохладителей по существующим методикам 33

  5. Сравнительный анализ современных концепций проектирования 37

  6. Выводы. Постановка задач исследования 41

2. Разработка и анализ функциональной модели проектирования
маслоохладителей паротурбинных установок
44

  1. Разработка функциональной модели 44

  2. Разработка и анализ структурных схем методик теплогидравлического расчета маслоохладителей 56

  3. Выводы 61

3. Совершенствование методов расчета маслоохладителей паротурбинных
установок
62

3.1. Разработка методики численного моделирования процессов гидродинамики в
масляном пространстве маслоохладителей 62

  1. Разработка твердотельной модели для расчетной подсистемы 64

  2. Выбор параметров конечно-элементной сетки 65

  3. Выбор и обоснование модели турбулентности 66

  4. Задание начальных и граничных условий задачи 70

  5. Установка критериев используемой математической модели вычисления. 71

  6. Оценка полученных результатов и их сопоставление с экспериментальными и другими расчетными данными 74

  1. Моделирование течения масла в межтрубном пространстве маслоохладителя 76

  2. Исследование проницаемости технологических зазоров в пучках гладких трубок 78

  3. Исследование проницаемости технологических зазоров в пучках из профильных витых трубок 90

  4. Уточнение методики позонного теплогидравлического расчета маслоохладителей 94

  5. Исследование влияния геометрических параметров элементов конструкции маслоохладителей на теплогидравлические характеристики аппаратов 95

3.6.1 Постановка задачи 95

  1. Величина технологических зазоров 96

  2. Количество ходов воды в аппарате 98

  3. Коэффициент теплопроводности материала трубок 100

  4. Наружный диаметр трубок поверхности теплообмена и другие конструктивные параметры трубного пучка 101

  5. Профилирование трубок поверхности теплообмена 103

3.7. Выводы 105

4. Разработка проектирующей подсистемы на основе современных концепций
конструирования
108

4.1. Проектирование компоновок трубных пучков 109

4.2. Проектирование элементов трубной системы маслоохладителей 116

  1. Трубные доски 116

  2. Промежуточные перегородки 120

  3. Схема расположения промежуточных перегородок 122

  1. Проектирование корпуса, водяных камер и гибких мембран маслоохладителей :г. 123

  2. Выводы 124

5. Апробация результатов разработки. Рекомендации для инженерной практики126

5.1. Сопоставление результатов теплогидравлических расчетов маслоохладителей
по уточненной позонной методике с результатами испытаний 126

  1. Стендовые испытания ЦКТИ маслоохладителя М-60-90 126

  2. Стендовые испытания ХТЗ маслоохладителя МО-53-4 128

  3. Испытания маслоохладителя МБ-125-165 на Московской ТЭЦ-23 129

  4. Испытания маслоохладителя МБ-270-330 на Сургутской ГРЭС-2 131

5.2. Рекомендации для инженерной практики 132

5.3. Выводы 134

Заключение 135

Библиографический список 139

Основные обозначения, сокращения и комплексы

Сокращения:

Coupled-Explicit solver -решатель "сопряженных уравнений" потока явного типа;

Coupled-Implicit solver -решатель "сопряженных уравнений" потока неявного типа;

IDEF0 - Перечень стандартов методологии функционального моделирования;

ISO - Международная организация по стандартизации (International Organization for

Standardization);

Segregated solver - решатель "разделенных уравнений";

ЕСКД -Единая система конструкторской документации;

КБ - Конструкторское бюро;

КТЗ - Калужский турбинный завод;

ЛМЗ - Ленинградский металлический завод;

МКЭ - сетод конечных элементов;

ПВТ - профильная витая трубка;

ПТУ - паротурбинная установка;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ТС - техническая система;

ТЭС - тепловая электрическая станция;

УГТУ-УПИ - Уральский государственный технический университет - УПИ;

УЗР - ультразвуковой расходомер;

УТЗ - Уральский турбинный завод;

ХТЗ - Харьковский турбинный завод;

ЧПУ - числовое программное управление;

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

Обозначения:

А - гидравлический параметр технологического зазора;

В - параметр, определяющий величину коэффициента местного сопротивления в

технологическом зазоре;

С/ — поправочный коэффициент;

Сху - массив центров отверстий, не выходящих за пределы области G06;

С- - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности трубного пучка;

С^-константа;

D, й?-диаметр, м;

Е - энергетический коэффициент;

Eu - число Эйлера, Eu = AP/(p-w );

F— площадь поверхности теплообмена, м2;

f- площадь проходного сечения, м2;

G- расход теплоносителя, м /ч;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Go6 - область трубного пучка, в пределах которой могут располагаться трубки;

h - глубина канавки ПВТ, м;

Н- глубина уплотнительного паза, м;

/- интенсивность турбулентного развитого течения;

/ - число поперечных рядов трубок;

к - кинетическая энергия турбулентности, Дж;

К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м -К);

/ - турбулентный путь перемешивания, длина крупных турбулентных вихрей, м;

L - характерный размер канала, длина, м;

10 - длина канала;

Ц - отрезок границы области трубного пучка;

N— мощность, затрачиваемая на прокачивание теплоносителей, Вт;

Nu - число Нуссельта, Nu = a-dA;

Р - давление среды, Па;

Р'- расчетное усилие;

Рг - число Прандтля, Pr = v/a;

Q - теплопроизводительность теплообменного аппарата, Вт;

Re - число Рейнольдса, Re = wd/v;

S-толщина, ширина, высота хода масла, шаг накатки ПВТ, м;

S\ - поперечный шаг в шахматном пучке, м;

S2 - продольный шаг в шахматном пучке, м;

t - температура среды, С;

и' - среднеквадратичная скорость пульсаций;

uavg - средняя скорость потока;

V- скорость поворота сечения ПВТ вокруг своей оси;

w - скорость теплоносителя, м/с;

Z, z - количество ходов теплоносителя в маслоохладителе, количество заходов

накатки ПВТ, количество;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м -К;

5 — толщина, высота м;

8] - технологический корпусной зазор в маслоохладителях ПТУ (между внутренней

поверхностью корпуса и кольцевой промежуточной перегородкой);

52 - технологический околотрубный зазор в маслоохладителях ПТУ (между стенкой

отверстия в промежуточной кольцевой перегородке и трубкой);

83 - технологический околотрубный зазор в маслоохладителях ПТУ (между стенкой

отверстия в промежуточной дисковой перегородке и трубкой);

АР - перепад давлений, гидравлическое сопротивление, Па;

8д/> - разница перепадов давления в лобовой и кормовой зоне технологического

зазора;

є - скорость диссипации турбулентной энергии;

длі ~ коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления пучка вследствие

изменения сечений для прохода масла;

Єоп - отношение диаметров описанной окружности ПВТ и гладкой трубки;

С. - коэффициент гидравлического сопротивления;

'- коэффициент смягчения входа в отверстие, зависящий от формы его входной

кромки;

С,о - местный коэффициент гидравлического сопротивления;

р- коэффициент расхода;

9 - показатель угла ассиметричности соседних ячеек, коэффициент прочности;

X - коэффициент трения течения в канале, коэффициент теплопроводности, Вт/(м-к);

\і - коэффициент динамической вязкости, Пас;

v - коэффициент кинематической вязкости, м /с;

vT - кинематический коэффициент турбулентной вязкости;

- относительное отклонение;

р - плотность, кг/м3;

а - напряжение, МПа;

т - коэффициент, учитывающий влияние толщины стенки, формы входной кромки

отверстия и условия протекания потока через отверстие;

тт - тензор рейнольдсового напряжения;

тэ- текущий угол поворота укороченной эпициклоиды;

Ф - угол наклона луча «М» к оси абсцисс;

Г0б - граница области трубного пучка, в пределах которой могут располагаться

трубки;

К^ - калибр зазора в гладкотрубном пучке;

Ктт - калибр зазора в пучке ПВТ;

* - принимаемый;

О - полный, номинальный;

1- вход, первый;

2 - выход;

п - последний, от осевого сжатия;

б - болтовой, от усилия в болтах;

в - вода;

в.л. - винтовая линия;

вн - внутренний;

выб - перемычка между соседними

выборками металла;

гл - гладкотрубный пучок;

д - действительная;

диаф - диафрагма;

к - кольцевая зона поворота масла у

дисковой перегородки, кормовой,

корпус;

л - лобовой;

м - масло;

н - наружный;

об - образующая трубки;

оп - описанной;

п - трубный пучок;

п - уплотнительный паз;

пв - разделительная перегородка во

входной водяной камере;

пвт - пучок из ПВТ;

пер - перегородка;

пм - масляные патрубки;

пов - поверхность теплообмена;

пп - разделительная перегородка в

поворотной водяной камере;

прин - принятый;

р - расчетный;

с - от давления среды;

ср - средний;

ст - стенка трубок;

т — теплоноситель;

т - трубки;

тр.д. - трубная доска;

у- уплотнение;

х - приведенный, относительно

расходов на протечки;

ц - центральное отверстие в кольцевой

перегородке;

шн - силиконовый шнур;

э - эквивалентный (гидравлический)

Введение к работе:

В условиях современных требований предприятий топливно-энергетического комплекса к эффективности, надежности теплообменного оборудования паротурбинных установок (ПТУ) и к срокам его поставки, необходим качественный подъем конкурентоспособности предприятий-производителей и проектных организаций, осуществляющих разработку комплекса проектной документации для теплообменных аппаратов. Наибольший вклад в увеличение конкурентоспособности предприятий дают методы повышения производительности труда и качества процесса проектирования. К числу таких методов относятся, прежде всего, методы, базирующиеся на современных информационных технологиях, обеспечивающих принципиально новые возможности на этом этапе жизненного цикла теплообменных аппаратов за счет:

интеграции конструкторских и расчетных процедур в рамках единой системы автоматизированного проектирования;

использования численных экспериментов для повышения качества проектных процедур.

Актуальность проблемы. Последнее десятилетие XX и начало XXI века характеризуются широкой компьютеризацией многих видов деятельности человека. Автоматизация коснулась торговой, коммерческой, банковской и производственной деятельности. Развиваться в таких условиях могут только те предприятия, которые применяют в своей деятельности современные информационные технологии. Именно информационные технологии, наряду с прогрессивными технологиями материального производства, позволяют существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции при значительном сокращении сроков постановки на производство изделий, отвечающих запросам потребителей.

Теплообменные аппараты вносят существенный вклад в эффективность и надежность работы паротурбинных установок (ПТУ). Особая роль среди всех аппаратов отводится маслоохладителям, которые являются одними из основных элементов системы маслоснабжения ПТУ. Вопросы надежного функционирования самой турбины неразрывно связаны с повышением качества проектирования и изготовления маслоохладителей, отвечающих современным требованиям экономичности и надежности.

Проектирование маслоохладителей ПТУ является, несомненно, наукоемким процессом особенно при их совершенствовании, в том числе с использованием интенсифицирующих поверхностей теплообмена. В последнее время с целью повышения эффективности эксплуатации аппаратов широкое распространение в конструкциях маслоохлади-

телей получили профильные витые трубки (ПВТ), устанавливаемые вместо гладких трубок. Широкое использование информационных технологий для совершенствования маслоохладителей в соответствии с передовыми направлениями их развития, повышает конкурентоспособность этой конкретной продукции отечественного энергомашиностроения, а для проектирующих организаций, разрабатывающих и изготавливающих маслоохладители, позволяет:

повысить качество выпускаемой проектно-конструкторской документации при минимизации ошибок, связанных с передачей информации;

сократить сроки проектирования за счет создания банка данных и многократного использования выполненных ранее разработок;

повысить надежность и эффективность эксплуатации разрабатываемого аппарата за счет использования обобщенных результатов экспериментальных исследований еще на стадии проектирования;

повысить конкурентоспособность изделия за счет использования разработанных при проектировании твердотельных моделей сборочных единиц для создания технологической схемы производства деталей на станках с ЧПУ;

повысить качество проектных работ и формализовать процесс проектирования маслоохладителей за счет расширения параметризации за пределы геометрических построений [1, 2]

Таким образом, совершенствование процесса проектирования маслоохладителей ПТУ является актуальной задачей, для решения которой, вследствие развития информационных технологий, создались в настоящее время благоприятные условия.

Целью настоящей работы является уточнение методик теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ на основе применения результатов численного экспериментального исследования и совершенствование методов проектирования маслоохладителей ПТУ за счет использования современных информационных технологий.

Для достижения указанной цели поставлен и решен ряд научно-технических задач, включающий в себя:

разработку функциональной модели проектирования маслоохладителей ПТУ для формализации конструкторских процедур на этом этапе жизненного цикла изделия и определения того уровня декомпозиции процедур, на котором целесообразно применение результатов проведенных в настоящей работе исследований;

исследование гидродинамики в конструкторско-технологическом узле «трубка -промежуточная перегородка» в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ при различных

геометрических характеристиках исследуемого узла на основе разработанной методики проведения численного эксперимента;

получение обобщенных зависимостей для определения коэффициента гидравлического сопротивления технологических околотрубных зазоров в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ;

уточнение методики позонного теплогидравлического расчета и верификация уточненной методики по данным промышленных и стендовых испытаний серийных маслоохладителей ПТУ;

исследование влияния геометрических параметров элементов конструкции маслоохладителей ПТУ на теплогидравлические характеристики аппаратов с помощью уточненной методики позонного расчета;

разработку твердотельных моделей маслоохладителей на основе современных концепций конструирования и объединения расчетной и проектирующей составляющих в рамках единой системы автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы.

Разработана функциональная модель процесса проектирования маслоохладителей ПТУ, создан словарь понятий и терминологии, используемых при проектировании маслоохладителей ПТУ.

Предложена и обоснована методика проведения численных экспериментов при моделировании гидродинамических процессов в масляном пространстве маслоохладителя.

Предложен комплекс геометрических параметров (К^ и Ктт - калибры зазоров в гладкотрубном пучке и пучке ПВТ), определяющих величину гидравлического сопротивления технологических зазоров в гладкотрубном пучке и пучке из ПВТ маслоохладителей ПТУ.

Получена обобщенная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления околотрубных зазоров в промежуточных перегородках для гладкот-рубного пучка маслоохладителей ПТУ.

Впервые проведено исследование гидравлической проницаемости технологических зазоров между стенками отверстий в промежуточных перегородках и наружной поверхностью ПВТ численными методами. Получена обобщенная зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления околотрубных зазоров в пучках из ПВТ с различными геометрическими характеристиками профилирования

трубок. Установлено, что гидравлическое сопротивление зазоров в пучках из ПВТ в

среднем в 2,2 раза ниже, чем в гладкотрубном пучке.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием современных методик системного структурного анализа; использованием сертифицированного программного обеспечения при проведении численных экспериментов; соответствием полученных результатов общепринятым физическим представлениям; удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность работы заключается в том, полученные результаты использованы для уточнения методики позонного поверочного теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ в части учета величин расходов масла в технологические зазоры. Комплексный анализ влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей на показатели их эффективности, проведенный на основе уточненной методики позонного теплогидравлического расчета, позволил выявить наиболее перспективные конструкторские решения, реализованные при разработке ряда аппаратов. На основе созданных твердотельных моделей основных сборочных единиц маслоохладителей ПТУ выявлены и обоснованы наиболее эффективные методы и приемы автоматизированного проектирования. Созданы таблицы семейств и шаблоны основных сборочных единиц маслоохладителей, позволяющие в автоматизированном режиме и в короткие сроки создавать рабочий комплект конструкторской документации. Выработаны рекомендации для инженерной практики.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при модернизации 20 серийных маслоохладителей и разработке серии новых маслоохладителей для турбин мощностью N=6...800 МВт. Ряд полученных результатов используются в УГТУ-УПИ при чтении лекций студентам по дисциплине «Теплообменники энергетических установок».

Автор защищает:

разработанную функциональную модель проектирования маслоохладителей ПТУ;

разработанную конечно-элементную модель для исследования проницаемости технологических зазоров маслоохладителей с пучками из гладких трубок и ПВТ;

результаты численных экспериментов проницаемости технологических зазоров при поперечном обтекании маслом гладкотрубных пучков и пучков из ПВТ серийных маслоохладителей ПТУ;

обобщенные зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления технологических зазоров в маслоохладителях ПТУ с пучками из гладких трубок и ПВТ;

уточненную методику расчета маслоохладителей с гладкими и профильными витыми трубками, верифицированную в ряде стендовых и промышленных испытаний серийных маслоохладителей ПТУ;

результаты комплексного исследования влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей ПТУ на показатели тепловой эффективности аппаратов, проведенного на основе уточненной методики теплогидравличе-ского расчета маслоохладителей ПТУ с гладкими и профильными витыми трубками.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 15-ти печатных работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, и в материалах 8-ми Международных конференций. Получено два свидетельства Роспатента об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора заключается: в постановке задач исследований; разработке функциональной модели проектирования; разработке методики проведения численного эксперимента по исследованию процессов гидродинамики в технологических зазорах масляного пространства маслоохладителей; планировании и проведении численных экспериментов; анализе и обобщении результатов численных экспериментов; разработке обобщенных расчетных зависимостей, уточнении алгоритмов теплогидравлического расчета маслоохладителей и рекомендаций по использованию полученных результатов; проведении комплексного исследования влияния геометрических и конструктивных характеристик элементов маслоохладителей ПТУ на показатели тепловой эффективности аппаратов по уточненной позонной методике; разработке твердотельных моделей, параметрических описаний основных геометрических характеристик конструкции, таблиц семейств и шаблонов основных сборочных единиц маслоохладителей ПТУ; обработке результатов стендовых и промышленных испытаний ряда маслоохладителей и оценке степени согласованности результатов расчета с опытными данными.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 84 наименований. Весь материал изложен на 138 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 13 таблиц.

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» на кафедре «Турбины и двигатели».


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net