Výpočetní modelování proudění páry v turbíně

Ing. Libor SOVA

Doctoral thesis

Computational modeling of steam flow in turbine

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 s

Abstract:

tupně. Jsou také ovlivněny vstupní úhly do jednotlivých lopatkových řad. Zapojením výpočtů s kondenzací do návrhu lze tyto efekty částečně eliminovat.

Abstract:

Computational simulation of steam flow is necessary for designing of highly efficient and reliable steam turbines. This thesis deals with some options how to improve computational methods. This topic is also in compliance with the needs of Doosan Škoda Power s.r.o. which therefore generously supported this work. The first part is focused on the development of new analytical code, i.e. throughflow. The second part is focused on possible simulations of wet steam flow. Throughflow is an analytical computational code which enables analysis of flow field in turbine stage. Calculation speed in seconds, simplicity and stability are the main properties of new code. It also determines this code to be one of the most essential features for aerodynamic design of individual turbine stages. In this thesis, new throughflow code has been developed as an alternative to existing one. The implementation of new throughflow code into Doosan Škoda Power s.r.o. design tools is now ongoing. Theoretical background and solution algorithm are described in the thesis. Comparison with existing code and CFD simulation were conducted for selected turbine stages. The tests with new throughflow code gave is several cases better results in comparison with the existing one. New throughflow code provides good basis for further improvements. Wet steam flow causes undesirable effects in steam turbine flow paths, mainly blade erosion and energy losses. Wet steam simulation is usually limited on conditions of single phase medium with steam parameters in equilibrium state. On the other hand, numerical methods are able to simulate steam flow with regard to condensation, which is a two phase medium with non-equilibrium steam parameters. Capabilities of available numerical methods were examined and opportunities for practical use were discussed in this part. Analysis of current knowledge and theoretical background were summarized. Further, mathematical models available in numerical solvers Ansys CFX and COCHEM Flow were described. Moreover, analytical code for 1D calculation of condensing flow in Laval nozzles has been developed. Firstly, numerical methods were used to analyze condensing flow in Laval nozzles. Several results acquired by COCHEM Flow were also used as a part of research activity "International Wet Steam Project". Calculations of Laval nozzles enabled to evaluate sensitivity on variation of model parameters, to specify differences in flow with and without condensation, to develop methodology for result interpretation and to calibrate numerical simulations. Developed analytical model was also used as a feasibility study for further possible modifications of throughflow with regard to simplified condensation effects. Secondly, calculations of the last stages in industrial steam turbine were analyzed in terms of equilibrium and non-equilibrium models using Ansys CFX for three different operations. Liquid phase formation and development of thermodynamic wet steam energy loss were also analyzed. Furthermore, sensitivity study on chosen simulation parameters was conducted. Modifications of condensation model, modifications of interface between blade rows, simplification of liquid phase topology and initial temperature variations were the observed parameters. Calculations for selected 2D cuts were conducted using COCHEM Flow in order to determine binary nucleation on NaCl impurity. Finally, comparison of flow field and integral characteristics for both equilibrium and non-equilibrium model was conducted. As a result of steam condensation, flow field was affected. Distribution of enthalpy drops and power outputs into individual stages were changed. Flow inlet angles into individual blade rows were also affected. Integration of two phase non-equilibrium calculation methods into design process of steam turbine stages can partially reduce above mentioned undesirable effects.

Keywords

parní turbína, výpočetní modelování, proudový výpočet, CFD, mokrá pára

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Design of Power Machines and Equipment