Введение к работе
Актуалыгость темы диссертации. При эксплуатации влажнопаровых турбин (ВПТ) одним из основных факторов, оказывающих негативное влияние на их эффективность и надежность, является эрозионный износ (ЭИ) лопаток. В отдельных случаях он может стать причиной серьезных аварий. ЭИ подвержены различные элементы проточной части турбин, однако наиболее существенной является каплеударная эрозия входных кромок рабочих лопаток (РЛ), которая может снижать КПД последней ступени цилиндра низкого давления (ЦНД) мощной паровой турбины на 5,0..6,5%. По этой причине в данной работе рассмотрены математические модели только этого вида эрозии.
Для борьбы с каплеударной эрозией применяется широкий спектр проти-воэрозионных мер: пассивных и активных. Рационализация выбора этих мер основана на изучении особенностей эрозии и ее моделировании. Вследствие мик-роуровневого характера каплеударного нагружения поверхности материала эрозия не моделируется в лабораторных условиях (на каплеударных стендах). Поэтому в настоящее время для изучения и прогнозирования эрозии используются натурный эксперимент и компьютерное моделирование. Исследование на реальных турбоустановках является долговременным и затратным мероприятием, требующим обследования большого числа различных турбин. Альтернативным подходом является исследование эрозионного износа на базе систем компьютерного моделирования. Эффективность и адекватность подобных систем обуславливается накопленным опытом по изучению сложных закономерностей процесса каплеударной эрозии, нашедших свое воплощение в соответствующих математических моделях, а также ростом производительности современных ЭВМ. Однако в настоящее время не разработано специализированных систем компьютерного моделирования и методов применения математического моделирования для решения задач изучения и прогнозирования каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин. По этой причине можно сделать вывод об актуальности работ, направленных на их разработку.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка математических методов и алгоритмов применения компьютерного моделирования для решения задач изучения и прогнозирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин и их реализация в виде проблемно-ориентированного программного комплекса.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
-
Выделить основные задачи компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток ВПТ и установить взаимосвязь между ними.
-
Изучить структуру современных математических моделей каплеударной эрозии РЛ влажнопаровых турбин с целью повышения эффективности и скорости использующихся в них методов математического моделирования.
-
Разработать математические методы и алгоритмы решения задач компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
-
Разработать подсистему компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
-
Разработать и реализовать архитектуру программного комплекса для проведения вычислительных экспериментов по решению задач изучения и прогнозирования каплеударной эрозии.
-
Исследовать адекватность результатов компьютерного моделирования, получаемых с помощью разработанного программного комплекса, на основе данных обследования натурных турбин.
Объект и предмет исследования. В данной работе объектом исследования являются математические модели каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин. Предметом исследования является применение и разработка математических методов и алгоритмов для решения задач компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных задач был использован математический аппарат теории вероятностей, методология пространственно-временной и режимной дискретизации процесса эрозионного изнашивания единой вероятностной теории эрозии, метод статистических испытаний Монте-Карло, гипотеза линейного суммирования повреждений Польмгрена-Майнера, численный метод интегрирования дифференциальных уравнений Кутта-Мерсона, методы интерполяции кубическими сплайнами, численный метод поиска экстремумов, метод прямого поиска и др.
При разработке программного комплекса использовались основные положения теории реляционных баз данных, методы объектно-ориентированного проектирования и программирования, принципы организации распределенных вычислений на основе GRTD-технологий.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработан математический метод моделирования эрозии лопаток
влажнопаровых турбин, новизну которого составляет совокупность следующих
оригинальных методов и алгоритмов:
алгоритм определения координат узлов дискретизации для поверхности рабочей лопатки, позволяющий сократить требования к вычислительным ресурсам при сохранении достаточной степени точности;
метод моделирования узла дискретизации, позволяющий расширить область применения математического моделирования каплеударной эрозии на рабочие лопатки со сложной структурой;
метод разбиения задачи математического моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин на независимые подзадачи, позволяющий задействовать технологии распределенных вычислений;
алгоритм вероятностного моделирования изнашивания геометрии рабочих лопаток с учетом изменений с течением времени в каплеударной нагрузке, позволяющий повысить адекватность результатов математического моделирования.
2. Разработан алгоритм интерпретации полученных в ходе обследования
натурных турбин данных, основанный на применении математического модели-
рования и позволяющий определять и уточнять эрозионно-усталостные свойства материалов.
3. Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс «Эро-зион», предназначенный для решения задач компьютерного моделирования кап-леударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин путем проведения вычислительных экспериментов и основанный на системе распределенного компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
Положения, выносимые на защиту. Автор защищает следующие основные положения.
-
Математический метод распределенного компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
-
Алгоритм определения и уточнения эрозионно-усталостных свойств материалов на основе компьютерного моделирования.
-
Алгоритм определения параметров оптимальной противоэрозионной защиты РЛ влажнопаровых турбин на основе компьютерного моделирования.
-
Архитектуру и функциональные характеристики разработанного программного комплекса «Эрозион».
Практическая ценность. Практическую ценность работы составляют.
-
Предложенные методы определения параметров оптимальной противоэрозионной защиты рабочих лопаток влажнопаровых турбин на основе распределенного компьютерного моделирования каплеударной эрозии рабочих лопаток влажнопаровых турбин.
-
Разработанный программный комплекс «Эрозион», позволяющий на основе компьютерного моделирования решать задачи прогнозирования эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых турбин, определения параметров оптимальной противоэрозионной защиты и выявления эрозионно-усталостных свойств материалов по данным обследований натурных турбин.
-
Подсистема распределенных вычислений, позволяющая задействовать вычислительные ресурсы компьютерной сети, тем самым повысив скорость решения задач.
-
Подсистема управлениями проектами и хранилище проектов, позволяющие централизовано хранить и накапливать решения задач изучения и прогнозирования каплеударной эрозии, полученные для разных типов турбин и параметров моделирования.
-
Рекомендации по настройке параметров распределенного имитационного моделирования каплеударной эрозии с целью повышения скорости моделировании при приемлемом уровне точности.
Разработанный программный комплекс «Эрозион» зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Он также внедрён в научно-исследовательскую деятельность конструк-торско-технологического отдела ОАО «ГАЗЭНЕРГОСЕРВИС» и в учебный процесс в рамках самостоятельной и исследовательской работы студентов и аспирантов соответствующих специальностей Брянского государственного техни-
ческого университета для изучения влияния различных факторов на интенсивность эрозионных процессов в энергетическом оборудовании.
Апробация работы. Основные положения и наиболее важные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 7 международных и российских конференциях, в том числе «Проблемы современной России и пути их решения» (г. Брянск, 2007); «XXXIV Гагаринские чтения» (г. Москва, 2008); «Наука и производство» (г. Брянск, 2009); «Информационные системы и технологии» (г. Обнинск, 2009); «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях» (г. Брянск, 2009); «Современные проблемы информатики и прикладной математики» (г. Брянск, 2010); «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г. Брянск, 2010).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 в научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка, содержащего 124 наименования, и приложений. Работа изложена на 170 страницах, содержит 64 рисунка и 12 таблиц. Общий объём работы составляет 198 страниц.
Похожие диссертации на Математические методы и алгоритмы решения задач компьютерного моделирования эрозии лопаток влажнопаровых турбин
