OPTIMALIZACE STŘEDOTLAKÉHO DIFUZORU PARNÍ TURBÍNY OPTIMIZATION OF IP DIFFUSER IN THE STEAM TURBINE

Transkript

1 OPTIMALIZACE STŘEDOTLAKÉHO DIFUZORU PARNÍ TURBÍNY OPTIMIZATION OF IP DIFFUSER IN THE STEAM TURBINE Aleš Macálka TechSoft Engineering, spol. s r.o. Michal Hoznedl R&D, Doosan Škoda Power s.r.o. KLÍČOVÁ SLOVA: Difuzor, výstupní hrdlo, CFD, parní turbína, ztrátový součinitel ANOTACE The work has been focused on the design and implementation of the optimization process of the flow region shapes in the diffuser of last stage, intermediate pressure steam turbine. The aim of such optimization is to minimize the losses due to separations or inefficient diffuser design. The process chain consists of geometry and mesh generation, CFD calculations and postprocessing. The necessary computation area of diffuser consisted of inlet part, diffuser part and outlet part. 1. ÚVOD Úkolem difuzoru parní turbíny je nejen odvod páry z turbíny s minimálními ztrátami, ale i zvýšení výkonu dílu. Difuzor má tvar rozšiřujícího se kanálu, kde se přeměňuje část kinetické energie na potenciální. Jak tato změna probíhá, je možné posuzovat pomocí ztrátového součinitele, který ukazuje kvalitu difuzoru. Kromě změny tvaru difuzoru je možné také snižovat ztráty vefukováním páry do vnější obvodové stěny za účelem turbulizace a stabilizace mezní vrstvy. Z hlediska konstrukčního musí difuzor vyhovovat určitým dispozičním požadavkům, v našem případě to je minimální axiální rozměr. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ V rámci výzkumu difuzorů středotlakých dílů parních turbín DŠPW byl proveden experiment v NPO CKTI, Sankt Petersburg [1]. Tento experiment pomohl validovat CFD výpočet, který je popsaný v následující kapitole. CAD model a obrázek měřící trati je na Obr. 1 a Obr. 2. Pro získání integrálních hodnot ztrátového součinitele je použito měření statických a celkových tlaků pomocí odběrů a pro vizualizaci proudového pole metoda optická. 1

2 Obr.1 CAD model Obr.2 Měřící trať 3. CFD MODEL Výpočetní CFD model je řešen pomocí produktů ANSYS Inc a GridPro. Tento model vychází z geometrie a uspořádání podle měřeného modelu, nazvali jsme ho CFD EXP. Pro optimalizační část, kde jsou vypočteny stovky tvarových modifikací je použito axisymetrického modelu CFD AXI. Tento model není výpočetně náročný a vystihuje chování reálného difuzoru. Pro kontrolu jsou přepočteny finální (FINAL) varianty CFD EXP i CFD AXI a následně porovnány s referenční variantou INIT Výpočetní oblast Výpočetní oblast měřeného modelu CFD EXP je na Obr. 3, je tvořena vstupní oblastí před difuzorem, vlastním difuzorem, výstupní usměrňovací oblastí a nástavbou simulující nadbandážovou ucpávku. Model je řešen jako symetrická polovina. Výpočetní oblast měřeného modelu CFD AXI je na Obr. 4, je tvořena také vstupní oblastí před difuzorem, vlastním difuzorem, výstupní usměrňovací oblastí. Únik nadbandážovou ucpávkou je simulován jako jednoduchý vstup bez nástavby. Tento model je řešen jako axisymetrická výseč. Obr.3 Model CFD EXP Obr.4 Model CFD AXI 2

3 3.2. Výpočetní síť Pro CFD výpočty je automaticky generována prostorová síť ze šestistěnů v programu ANSYS ICEM Hexa a GridPro. Topologické schéma výpočetní sítě je u modelu CFD EXP a CFD AXI stejné s výjimkou nástavby u modelu podle experimentu. Celkový počet výpočetních buněk je asi 9 milionů u modelu CFD EXP a 0,5 milionů u modelu CFD AXI. Ukázka výpočetní sítě v difuzoru a nástavby s nadbandážovou ucpávkou je na Obr. 5 a Obr. 6. Hodnota parametru Y+ u stěn je kolem 1. Obr.5 Výpočetní síť v difuzoru Obr.6 Výpočetní síť v nástavbě 3.3. Nastavení CFD řešiče Jedním z hlavních požadavků pro CFD výpočty v optimalizaci je rychlost řešiče, robustnost a přesnost. Výpočty jsou proto realizovány stacionárně v programu ANSYS CFX 14.5 [2] s následným nastavením: Diskretizační schéma je použito High Resolution. Vzhledem k vyšším Machovým číslům uvnitř difuzoru uvažujeme proudění jako stlačitelné. Proudění stupněm je vazké a turbulentní. Je použit model turbulence SST k-omega. Výpočet modelu CFD EXP je proveden na ½ výpočetní domény s použitím podmínky symmetrie na jedné straně domény a odpovídá 5 výseče difuzoru. Výpočet modelu CFD AXI je proveden jako axisymetrický s použitím podmínky rotační periodicity a odpovídá 0,5 výseče difuzoru. Stěny modelu jsou uvažovány stacionární a adiabatické. 3

4 4. OPTIMALIZACE Cílem optimalizace je najít nejvhodnější tvar středotlakého difuzoru pro jeden provozní stav stroje s únikem páry nadbandážovou odpovídající 1% z hlavního proudu, což je hodnota blížící se reálnému stroji. V optimalizaci je použita kombinovaná metoda DOE (Design of Experiments) a aproximace, která nám zajištuje, při dostatečném počtu tvarových modifikací, kompletní popis optimalizačního prostoru. Pomocí DOE metody lze získat i přehled o vlivu vstupních parametrů na cílovou funkci pro celý prohledávaný optimalizační prostor [3], [4] Definice cílové funkce Úkolem výstupního hrdla je zvýšení výkonu stroje a tedy entalpického spádu posledního ST stupně, ze kterého lze odvodit ztrátový součinitel ζ. Proto je v cílové funkci definována minimalizace ztrátového součinitele ζ, definice je dána následujícím vztahem: p 1 p p 1 1 p Parametrizace geometrie V tvarové optimalizaci je velice důležité vhodně definovat vstupní parametry do optimalizace. V popisované optimalizaci je modifikován tvar difuzoru a to zejména v oblasti deflektoru, jak je patrné z Obr. 7. Celkový počet parametrů vstupujících do optimalizace je 20. Z toho 10 parametrů modifikuje oblast deflektoru a 10 parametrů patní část difuzoru. Geometrické parametry jsou definovány tak, aby rozměry difuzoru nepřekročily referenční variantu Optimalizační metodika Obr.7 Bodové parametry difuzoru Pro nalezení Globálního extrému byla použita kombinovaná metodu DOE a aproximaci. Při dostatečném počtu geometrických modifikací v DOE analýze je možno nalézt bod, který je velice blízko globálnímu extrému a pomocí aproximační funkce lokalizovat předpokládaný extrém. Počet geometrických modifikací v DOE analýze je 600 a použitý typ DOE je Optimal Space-Filling Design (OSF) [5], schematické znázornění je na Obr. 8. Výhodou metody DOE OSF je rovnoměrné rozložení vstupních parametrů i při jejich Obr. 8 Příklad DOE OSF pro 2 vstupní parametry 4

5 vysokém počtu a možnost paralelních CFD výpočtů geometrických modifikací. Aproximační model je typu Kriging [5]. Postup optimalizace je naznačen na Obr VÝSLEDKY OPTIMALIZACE V optimalizaci proběhlo 600 stacionárních CFD výpočtů. Výsledky optimalizace byly hodnoceny na základě cílové funkce i na základě jednotlivých výstupních parametrů s ohledem na vyrobitelnost a tvarovou složitost. Porovnání referenčního (pouze obrysové čáry) a finálního (modrá) tvaru difuzoru je v meridiálním pohledu na Obr. 10. Integrální zhodnocení ztrátového součinitele pro jednotlivé varianty je v Tab. 1. Tyto hodnoty jsou vztaženy k rovině, která je umístěna na konci deflektoru (Obr.10, čárkovaně). Změna ztrátového součinitele v tabulce níže může přinést změnu výkonu dílu až 0,2%. Obr. 9 Postup optimalizace VARIANTA ZTRÁTOVÝ SOUČINITEL ζ [-] INIT EXP FINAL EXP INIT AXI FINAL AXI Obr. 10 Porovnání varianty INIT a FINAL Tab. 1 Výsledky optimalizace 6. ZÁVĚR Cílem této optimalizace není pouze nalezení globálního extrému cílové funkce, ale i vliv jednotlivých tvarových modifikací. To umožňuje metoda DOE, která prohledává celý optimalizační prostor. Úloha je optimalizována s axiálním vstupem, tzn. není zde zahrnut vliv radiální a tangenciální složky rychlosti z posledního středotlakého stupně. 5

6 Pro INIT a FINAL tvar byly provedeny kontrolní výpočty i na modelu experimentu, který ukázal trendovou shodu s axisymetrickým modelem. Finální varianta má nižší ztrátový součinitel o 21% než varianta původní. Na Obr. 11 je ukázka proudového pole pro variantu referenční INIT CFD AXI a optimalizovanou FINAL CFD AXI. U referenční varianty je patrná rozsáhlá oblast odtržení proudu u paty difuzoru, kde je znatelný pokles Machova čísla. Obr. 11 Porovnání varianty INIT CFD AXI a FINAL CFD AXI LITERATURA [1] Investigation of intermediate-pressure cylinder diffuser model for the skoda turbine, NPO CKTI, St.-Petersburg, 2012 [2] ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 14.0, Canonsburg, 2011 [3] Tvarová optimalizace průtočných částí turbínového stupně, Seminář parní a spalovací turbíny 2006, Plzeň, 2006 [4] CFD optimalizace rozváděcí lopatky posledního stupně parní turbíny velkého výkonu, Seminář Turbostroje 2012, Plzeň, 2012 [5] ANSYS Design Exploration User Guide, Release 14.0, Canonsburg,