Реферат: Реферат роботи

РЕФЕРАТ

роботи

«РОЗРОБКА ТА ЗАСТОСУВАННЯ СУЧАСНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ МОДЕЛЕЙ ВІБРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ДЛЯ ОЦІНКИ НАДІЙНОСТІ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК», що подана

Красніковим Сергієм Васильовичем,

Ларіним Олексієм Олександровичем

на здобуття премії Президента України для молодих вчених


Мета роботи:

Створення комп’ютерних моделей елементів енергетичних установок та методів аналізу та встановлення закономірностей впливу детермінованих і випадкових технологічних і експлуатаційних відхилень в параметрах міжструктурних зв’язків елементів енергетичних установок на формування їх коливань і вібраційну надійність.


^ Наукова новизна:

Розроблені та теоретично обґрунтовані комп’ютерні моделі, що на відміну від існуючих враховують усі конструктивні особливості систем турбоагрегат-фундамент-основа та робочих коліс циліндру низького тиску, а також методи аналізу вібраційної міцності, надійності з урахуванням наявності детермінованого та випадкового розкиду їх технологічних та експлуатаційних параметрів в роз’ємних міжструктурних з’єднаннях. А саме:

запропоновано новий напрямок досліджень надійності й прогнозування ресурсу турбоагрегатів енергетичних установок, заснований на урахуванні найбільш чутливих до вібрацій елементів: лопаткових вінців і корпусів циліндрів низького тиску

розроблені методики створення комп’ютерних моделей корпусних елементів турбоагрегатів враховуючі основні особливості їх конструкції, що й дозволяють адекватно описувати їх складну динамічну поведінку, з урахуванням можливих змін контакту з фундаментом і нерівномірного розподілу його фізичних властивостей

запропонована методологія побудови параметричних скінченно елементних моделей лопаток та лопаткових вінців робочих коліс турбомашин з цільнофрезерованим бандажуванням;

вперше розроблено метод розв’язання задачі власних та усталених вимушених гармонічних коливань механічних систем з випадковими параметрами, що на відміну від традиційного підходу дає змогу проводити дослідження на основі докладної тривимірної скінченної моделі, а у випадку наявності симетрії з можливістю конденсації розмірності цієї системи без втрати точності розрахунків;

встановлено нові залежності впливу варіацій параметрів штіфтованого бандажного з’єднання відповідно до особливостей їх конструкції на статичні і динамічні характеристики лопаткових апаратів парової турбіни;

виявлено нові закономірності впливу малих випадкових технологічних відхилень в параметрах бандажного з’єднання на вібраційні характеристики робочих коліс, як системи з конструктивною циклічною симетрією.

проведені числові дослідження власних, вимушених коливань та вібраційної надійності системи турбоагрегат-фундамент-основа з врахуванням впливу випадкових просадок фундаменту.


^ Практична значимість:

Для галузі турбобудування практичне значення складають розроблені параметричні комп’ютерні моделі, методики їх побудови, програмне забезпечення, а також проведенні на їх основі комплексні дослідження вібраційних процесів, що відбуваються с висите мах «турбоагрегат-фундамент-основа» та робочих колесах циліндрів низького тиску.

Важливі практичні результати складаються з наступного:

розроблено інтегровану комп’ютерну систему розрахунку амплітудно-частотних характеристик переміщень основних елементів енергетичних установок (фундаменту, частин корпусів циліндрів середнього та низького тиску, лопаток робочих коліс циліндру низького тиску), а також їх імовірнісних показників (математичного сподівання, дисперсії), для систем із циклічною симетрією, детермінованим та випадковим розладом на базі тривимірної скінченно елементної моделі одного сектору, що попередньо побудована у існуючих системах інженерного аналізу;

створено методику побудови параметризованих скінченно-елементних моделей лопаток парових турбін, які дозволяють врахувати особливості процесів контактної взаємодії роз’ємних елементів штіфтованої цільнофрезерованої бандажної полиці;

створено методику побудови скінченно елементних моделей системи турбоагрегат-фундамент-основа, які дозволяють врахувати особливості процесів контактної взаємодії між елементами фундаменту та корпусами турбіни;

суттєву практичну цінність також мають результати проведених числових досліджень статичних та динамічних характеристик лопаткових апаратів третього ступеня з урахуванням наявності неоднорідності кутового розподілу конструктивних міжбандажних зазорів;

проведено числові дослідження статичних, динамічних характеристик та параметрів надійності корпусів циліндрів низького тиску турбоустановок Зміївської та Придніпровської теплових електростанцій;

сформульовано рекомендації по підвищенню надійності та ресурсу шляхом зниження рівнів вібрацій в лопаткових апаратах третього ступеня циліндру низького тиску за рахунок регламентації допустимих величин конструктивних міжбандажних зазорів та відстройки від резонансів системи турбоагрегат-фундамент-основа за допомогою наборів з листів та стрижнів, які змінюють жорсткість елементів корпусів турбін.

Результати цих досліджень впроваджені в практику проектно-дослідних робіт ВАТ «Турбоатом» (м. Харків).


^ Загальна кількість публікацій (за темою роботи):

Ларин А.А. Исследование влияния бандажного соединения на статические и динамические характеристики лопаточного аппарата на основе трехмерных моделей / Жовдак В.А.,Кабанов А.Ф., Ларин А.А, Степченко А.С. // Вісник НТУ «ХПІ». – Харків: НТУ «ХПІ», 2005.­ №21.­ С. 9-16

Ларин А.А. Собственные колебания циклически-симметричных систем с расстройкой // Системи обробки інформації. – Харків: Харківський університет повітряних сил, 2005.­ № 7(47).­ С. 91-95

Ларин А.А. Исследование влияния технологических отклонений в бандажном соединении на спектр собственных частот лопаточного аппарата / Жовдак В.А., Демуз Я.Д., Кабанов А.Ф., Ларин А.А, Степченко А.С. // Надійність і довговічність машин і споруд. – Київ: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, 2006.­ Вип. 26. – С. 59-67

Красніков С.В. Исследование собственных колебаний системы турбоагрегат- фундамент-основание при различных схемах потери контакта // Вісник Національного технічного універ-ситету “Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2007.   №22.   С. 85   90.

Красніков С.В., Руденко С.С. Особенности твердотельного геометрического модели-рования машиностроительных объектов // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2007.   №38. – С. 181 – 187.

Ларин А.А. Исследование динамического контактного взаимодействия в межбандажных соединениях пакетов лопаток паровых турбин с расстройкой / Жовдак В.А., Демуз Я.Д., Кабанов А.Ф., Ларин А.А, Степченко А.С., Солянникова Ю. В. // Проблеми обчислюваної механіки і міцності конструкцій – Дніпропетровськ: ДНУ, 2007.­ № 11.­ С. 53-63

Larin O.O. Nonlinear vibrations of steam turbines blade packages subject to the dynamic contact in bandage connection / Zhovdak V. O., Demuz Ya D., Kabanov A. F., Stepchenko O. S.// Proc. 2nd International conf. «Nonlinear dynamics». – Kharkiv: NTU «KhPI», 2007.– Pp. 311-316

Ларін О.О. Вимушені коливання цикло - симетричного лопаткового апарату з випадковим технологічним розладом / Головко О.М, Жовдак В.О., Ларін О.О. // Вісник НТУ«ХПІ». – Харків: НТУ «ХПІ», 2007.– №38.– С. 58-68

A.A. Larin Statistical dynamics of turbomachine rotor wheels with a technological mistuning / V.A. Zhovdak, A.A. Larin, A.F. Kabanov // Strength of Materials, Vol. 40(5). – 2008. - Pp 557-583 (робота представлена в базі Scopus)

Красніков С.В. Разработка программных средств постпроцессорной обработки данных САЕ систем // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2008. – №36. – С. 108-111.

Жовдак В.А., Красніков С.В., Торяник А.В. Степченко А.С. Моделирование фундамента для многокорпусного турбоагрегата // Вісник НТУ «ХПІ». Тематичний випуск Динаміка і міцність машин.–Харкiв: НТУ «ХПІ». – 2008. – №36. – С.81-88.

Жовдак В.А., Красніков С.В., Торяник А.В. Степченко А.С. Исследование явления расстройки в многокорпусных турбоагрегатах на основе компьютерной модели // Вісник НТУ «ХПІ». – Харкiв: НТУ «ХПІ». – 2008. – №47. – С. 70-78.

Ларін О. Розв’язок задачі вимушених випадкових коливань лопаткового апарату з розладом на основі моделі одного сектору / Ларін Олексій, Жовдак Валерій // Машинознавство. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД, 2008. –№10(136). – С. 12-16

Ларін О.О. Дослідження вимушених коливань тривимірних цикло-симетричних конструкцій з випадковим розладом методом Монте-Карло // Вісник НТУ«ХПІ».– Харків: НТУ«ХПІ», 2008. ­ №47.­ С. 190-197

Красніков С.В. Розробка інтегрованих програмних засобів з автоматизації розрахунків динамічних характеристик конструкцій // Вісник НТУ «ХПІ». Тематичний випуск Динаміка і міцність машин. – Харкiв: НТУ «ХПІ». – 2009. – №30. – С. 68-72.

Красніков С.В., Степченко А.С., Торяник А.В. Комп’ютерне моделювання багатокорпусного турбоагрегату та аналіз його вібраційних характеристик // Машинознавство.–Львів: Кінпатрі. – 2009. – № 2. – С. 27-33.

Красніков С.В., Ларін О.О., Огороднік О.О. Моделювання вібраційного стану пластинчато-стрижневої системи // Вісник НТУ «ХПІ». Тематичний випуск Динаміка і міцність машин. – Харкiв: НТУ «ХПІ». – 2009. – №42. – С. 77-81.

Ларин А.А. Исследование вынужденных колебаний лопаточных аппаратов со случайной технологической расстройкой по модели одного сектора / Ларин А.А., Жовдак В.А. // Вісник НТУ«ХПІ».– Харків: НТУ«ХПІ», 2009. ­ №42.­ С. 89-99



^ Основні науково технічні результати:

В роботі розроблено докладні комп’ютерні моделі основних елементів енергетичних установок (що є найбільш підверненими до вібрацій) та сучасний підхід до проведення відповідного комп’ютерного моделювання вібраційних процесів в зазначених системах з урахуванням детермінованого та випадкового розкиду їх технологічних та експлуатаційних параметрів та розв’язку задачі аналізу надійності. На основі розробленого підходу проведено дослідження впливу випадкових технологічних відхилень у міжбандажних з’єднаннях лопаткового апарату, а також випадкових просадок фундаменту циліндру низького тиску парової турбіни.

Розроблено програмне забезпечення, яке розширює можливості сучасних систем інженерного аналізу та дозволяє визначити ймовірнісні показники вібраційних характеристик циклічно симетричних конструкцій та систем з детермінованим і випадковим розладом за допомогою моделей, що розроблені з застосуванням можливостей сучасних програмних комплексів інженерного аналізу. А також проведено аналіз достовірності запропонованого методу серією тестових розрахунків для моделі розмірність якої дозволяє провести прямий статистичний аналіз. Отримані результати показали, що для систем, дисперсія розладу яких не перевищує 15%, максимальна похибка складає менше 2%.

Розроблено методологію побудови параметричної скінченно-елементної моделі лопаток парових турбін. Створена методологія дозволяє отримувати моделі різних модифікацій зазначеного лопаткового апарату за 0,5-3 хвилини (середній час безпосередньої побудови геометричної моделі та нанесення на неї сітки складає понад годину). Достовірність отриманих математичних моделей підтверджено збіжністю із експериментальними результатами для власних коливань отриманими в СКБ ВАТ «Турбоатом». Похибка по визначенню власних частот менша 6%.

Виконано дослідження впливу на вібраційні характеристики лопаткового апарату третього ступеня циліндру низького тиску випадкового розладу, що викликаний технологічними відхиленнями у параметрах бандажного зв’язку. На основі цих досліджень сформульовано рекомендації стосовно допусків на міжбандажні зазори у діапазоні значень [0..0,05] мм. Так у випадку допуску технологічних відхилень із можливістю наявності конструктивних зазорів до 0,5мм відбувається збільшення амплітуд шостої гармоніки вимушених коливань на 40%, що значно зменшує ресурс роботи робочого колеса.

Результати досліджень, шляхом передачі теоретичних наробіток і даних числових досліджень, було впроваджено у практику проектування нових та модернізацію існуючих конструкцій робочих коліс парових турбін у ВАТ «Турбоатом» (м. Харків), що підтверджено відповідним актом.

Створено методології побудови математичних моделей й розрахункових схем, які адекватно описують конструктивні, технічні, експлуатаційні особливості єдиної динамічної системи турбоагрегат-фундамент-основа. На основі яких проведено прогнозування статичної та динамічної поведінки системи, що досліджується з урахуванням випадкової зміни параметрів фундаменту й контактної взаємодії між турбоагрегатом і фундаментом.

Проведений огляд експериментальних даних по осіданнях фундаментів і модулю пружності залізобетону фундаменту. Цей огляд показав наявність різних нерівномірних осідань, які в окремих випадках приводили до аварійної зупинки турбоагрегату та було визначено, що модуль пружності залізобетону з часом експлуатації (в межах половини проектного ресурсу) зменшується до 30-40 %.

Також виконані числові дослідження вільних, вимушених коливань і вібраційної надійності турбоагрегатів з урахуванням впливу випадкових осідань фундаменту за допомогою розробленого методичного, програмного забезпечення й широко відомих програмних пакетів.

Створені в роботі підходи, алгоритми й програмне забезпечення дозволили виконати ряд розрахунків з метою визначення вібраційних характеристик і показників надійності турбоустановок Зміївскої і Придніпровської ТЕС. За проведеними чисельними експериментами зроблені рекомендації, щодо внесення найбільш ефективних конструктивних рішень для зменшення вібрацій та резонансного відбудування лопаткових вінців і корпусів циліндрів низького тиску парових турбін.


Здобувачі


Вчений секретар НТУ «ХПІ»




С.В. Красніков


О.О. Ларін


Ю.І. Зайцев