Междисциплинарная оптимизация турбинных лопаток

Одним из способов повышения эффективности проточной части лопастных систем вращающихся машин является соответствующее трехмерное формирование лопастных и лопастных каналов. Концепция космического смущения включает в себя ряд структурных модификаций, которые состоят из простого или сложного наклона и наматывания лопастей, индивидуального выбора и оптимизации профиля по высоте лопасти и формирования внешних ограничений канала. Пространственное формирование лопастных каналов в настоящее время является важным элементом при проектировании турбинных систем. На приведенном ниже рисунке показан компонент Alstom WP в Alstom WP, а также вид длинной задней развертки и лопастей крыльчатки с намоткой частей NP, также полученных из решений Alstom. Из-за большого количества геометрических параметров комбинаций пространственной формы и необходимости регулировать углы установки и количество лопастей, чтобы обеспечить конструктивные параметры системы лопастей, такие как реактивность, угол наклона на градус, падение энтальпии, расход или мощность системы, выбор структур с наивысшей эффективностью проводиться автоматически с использованием методов компьютерной оптимизации.

Рулевое колесо Alstom WP, часть WP

Рулевые и роторные лопасти выходных каскадов НП Alstom NP

Основной подход к оптимизации лопастных систем основан на концепции оптимизации целевой функции, которая является неким общим свойством системы потока, например турбулентными потерями энтальпии (группа ступеней). Этот тип подхода используется в комплексе процедур оптимизации потока Opti_turb. Независимые переменные целевой функции - это геометрические параметры пространственной формы лопастной системы. Предполагается следующая группа геометрических параметров пространственной формы лопастной системы: количество лопастей рулевого управления и ротора, углы лопастей рулевого управления и ротора, угол линейного периферического наклона лопастей, угол линейного осевого наклона лопастей, угол линейных лопастных лопастей, периферия наклона периферийных лопастей, параметры наклона свиноматки осевые лопасти, параметры скручивания составных лопастей, параметры кривых, описывающих профиль (плоскостное сечение) лопасти. Каждый из геометрических параметров имеет соответственно определенную область изменения.

Чтобы наблюдать диапазон изменчивости оптимизированных параметров и сохранять условия проектного потока, проводится оптимизация с ограничениями (ограничениями). Ограничения применяются как к оптимизированным геометрическим параметрам, так и к параметрам потока и прочности, которые не оптимизируются напрямую, чтобы предотвратить их изменение в нежелательном направлении. При оптимизации лопастных систем мы учитываем ограничения на изменение следующих параметров потока: угол наклона, скорость реакции у основания и вершины, массовый расход, уровень напряжения в материале и другие.

В методе оптимизации прямые значения целевой функции определяются непосредственно из постобработки трехмерной части потока с использованием программы FlowER (Ершова и Русанова). Напряжения в металле определяются по программе WYKA (Качоровский и Коронович).

В процессе оптимизации геометрических параметров проточной системы используется ряд методов оптимизации, которые можно разделить на три группы - детерминированные методы (например, градиентные, симплексные и простые методы), стохастические методы (генетические алгоритмы и отжиг) и гибридные детерминистически-стохастические методы. Первый гибридный метод представляет собой комбинацию версии генетического алгоритма и модифицированного симплекс-метода Nelder-Mead, второй - модифицированный метод поиска простого Гука-Дживса в сочетании с элементами метода имитационного отжига. Эти методы надежно приводят к нахождению минимальной глобальной мультимодальной функции с приемлемым количеством вычислений целевой функции.

Определены два метода параметризации формы профиля лопаток с точки зрения их использования при решении задач оптимизации эффективности лопаток турбинных систем. Эти методы основаны на построении набора дуг окружности и на рациональных функциях Безье.

Проведена оптимизация кругового и осевого наклона рулевых лопаток группы из двух ступеней турбинных частей турбины низкого давления мощностью 50 МВт.

Целевая функция была снижена на 1,8%. Наиболее прибыльными являются оптимизации последней степени. Например, КПД этой марки для номинальной нагрузки увеличился на 2,4%, для низкой нагрузки на 5,5%. В рассматриваемом случае сочетание осевого и перпендикулярного наклона приводит к уменьшению градиента реакции по высоте канала, что снижает нагрузку на рулевые каналы в ноге (в этом случае потеря толщины стенки в краевой области, уменьшение интенсивности ударной волны, уменьшение риска возникновения волны) на входе в ротор), загрузка каналов ротора у основания (и уменьшение зоны разрыва в роторе у основания). Также можно наблюдать снижение интенсивности вторичных течений и потерь сверхзвуковой утечки. В представленном случае прирост эффективности наблюдается во всем диапазоне нагрузок, особенно высокий при низких нагрузках.

Изменения оптимизированных параметров этапов 1-2

Оптимизированный параметр

Его изменение

Степень 1

Степень 2

угол направляющих лопаток1 [°]

0,5

0.2

угол наклона лопасти ротора 1 [°]

0.2

-3,7

простой осевой наклон рулевых колес2 [°]

0.0

1,5

простой наклон рулевого колеса [°]

-4,9

6,4

параметр осевой сабли при apex2 Δx / l (Δy = 3Δx)

-0,08

-0,14

параметр круговой сабли в сплаве 3 Δx / l (Δy = 3Δx)

0,00

-0,06

1 положительное значение увеличивает горловой поток, отрицательное уменьшает горло;
2 - положительное значение, когда лезвие опущено вниз на вершине;
3 положительное значение, когда лопасть наклонена в направлении вращения ротора у основания.

Исходная геометрия (слева) и оптимизированная (справа) система двух выходных ступеней турбины.

Контуры числа Маха на рулевом колесе (слева) и правом роторе (справа) для исходной геометрии (вверху) и оптимизированы (внизу) для нагрузки 800 м3 / с (объемный расход на выходе).

Оптимизация профилей лопастей была проведена для рулевого и поворотного палисада (с профилями PŁK и R2) в двухугловой части WP турбины мощностью 200 МВт в заданном диапазоне углов лопастей и нагрузки на частокол. Целевая функция была уменьшена на 0,8%, что является большим достижением, учитывая тот факт, что типичный выигрыш в эффективности при оптимизации трехмерных форм лопастей и углов установки лопастей в градусах деталей высокого и среднего давления едва достигает 0,5 процентных пункта. Контуры числа Маха в роторе на диаметре шага указывают на улучшение качества расширения в измененной степени. В свою очередь, контуры полного давления в сечении выхода ротора также указывают на снижение интенсивности вторичных (граничных) потоков. Отсюда следует, что изменения формы профиля вызывают изменения не только в двумерном потоке, но и корректируют эффекты трехмерного потока.

Геометрия оригинальных и модифицированных профилей рулевого управления и ротора

Контуры числа Маха по диаметру шага в руле и роторе:
1 - исходная геометрия, 2 - измененная геометрия

Контуры общего давления за рулем и ротором:
1 - исходная геометрия, 2 - измененная геометрия