Výpočetní modelování proudění páry v turbíně

Abstract

Výpočetní modelování proudění páry v parní turbíně je nezbytné pro návrhy turbín s vysokou účinností a spolehlivostí. Tato práce se věnuje některým možnostem zlepšení výpočetních metod motivovaná potřebami společnosti Doosan Škoda Power s.r.o., za jejíž podpory tato práce vznikla. První část se zabývá vývojem analytického kódu, tzv. proudového výpočtu. Další část je zaměřena na možnosti modelování proudění mokré páry. Proudový výpočet je analytický výpočetní kód umožňující analýzu proudového pole v turbínovém stupni. Jeho hlavními vlastnostmi jsou rychlost výpočtu v řádu jednotek sekund, jednoduchost a stabilita, které ho předurčují jako jeden z klíčových prvků aerodynamického návrhu turbínových stupňů. V rámci této práce byl vyvinut kód, který je alternativou k stávajícímu kódu. Nyní probíhá jeho implementace do návrhových nástrojů společnosti Doosan Škoda Power s.r.o. V práci jsou popsány potřebné teoretické základy a algoritmus řešení. Pro vybrané příklady stupňů je provedeno srovnání s výsledky stávajícího kódu a CFD simulací. V některých případech je dosahováno lepších výsledků vůči stávajícímu kódu. Nový kód poskytuje základ pro další možné úpravy a rozšíření. Proudění mokré páry způsobuje nežádoucí jevy v průtočných částech zejména erozi lopatek a energetické ztráty. Modelování proudění mokré páry se zpravidla omezuje na uvažování jednofázového média s rovnovážnými parametry páry. Numerické metody však umožňují modelovat proudění páry s uvažováním kondenzace, tzn. jako dvoufázové médium s uvažováním nerovnovážných parametrů páry. V další části je proto proveden rozbor možností dostupných numerických metod a je diskutováno jejich možné praktické využití. Nejprve byl proveden rozbor současného stavu poznání a byly shrnuty nejdůležitější teoretické poznatky. Dále byly popsány matematické modely použité v dostupných numerických řešičích Ansys CFX a COCHEM Flow. Byl také vytvořen analytický kód pro výpočty 1D proudění v Lavalových dýzách. Numerické metody byly nejprve aplikovány na výpočty proudění s kondenzací v Lavalových dýzách. Část výsledků získaných pomocí programu COCHEM Flow byla použita jako součást výzkumné aktivity "International Wet Steam Modelling Project". Výpočty na Lavalových dýzách umožnily zkoumat citlivost na změnu parametrů výpočetních modelů, stanovit odchylky proudění s a bez uvažování kondenzace, vytvořit metodiku vyhodnocení výsledků a kalibrovat výpočetní modely. Vytvořený analytický model posloužil také jako studie proveditelnosti případných úprav nově vytvořeného proudového výpočtu s ohledem na zjednodušené zahrnutí efektů spojených s kondenzací. V další části byly provedeny výpočty skupiny posledních turbínových stupňů průmyslové parní turbíny s a bez uvažování kondenzace pomocí programu Ansys CFX pro tři různé provozní stavy. Byly provedeny rozbory tvorby kapalné fáze a vývoje termodynamické ztráty vlhkostí. Dále byla zkoumána citlivost na změnu vybraných parametrů výpočetního modelu. Jednalo se o vliv úpravy modelu kondenzace, vliv úprav rozhraní mezi vybranými lopatkovými řadami, vliv zjednodušení topologie kapalné fáze a vliv změny vstupní teploty. Pro vybrané 2D řezy byly provedeny výpočty pomocí programu COCHEM Flow s cílem stanovení možnosti a vlivu binární nukleace na nečistotě NaCl. Dále bylo provedeno porovnání proudového pole a integrálních charakteristik stupňů. Vlivem kondenzace páry dochází k ovlivnění proudového pole nejen ve stupních, kde probíhá vlastní kondenzace, ale také v předchozích stupních. Dochází ke změně rozložení tepelných spádů a výkonů mezi jednotlivé stupně. Jsou také ovlivněny vstupní úhly do jednotlivých lopatkových řad. Zapojením výpočtů s kondenzací do návrhu lze tyto efekty částečně eliminovat.