Details

Данная работа посвящена комплексному исследованию, разработке и верификации упрощенных конечно-элементных моделей рабочих лопаток паровых турбин. В работе были построены твердотельные, оболочечные и объемно-оболочечные конечно-элементные модели, с целью снижения вычислительных затрат при проведении модального анализа. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1) Проведение анализа условий эксплуатаций рабочих лопаток и предъявляемых к ним требованиям. 2) Разработка твердотельных конечно-элементных моделей упрощенных реальных вариантов лопаток. 3) Проведение модальных анализов, выполнение анализа форм колебаний, выделение изгибных и крутильных составляющих. 4) Проверка сходимости результатов. 5) Разработка упрощенных оболочечных и объемно-оболочечных моделей. 6) Проведение расчетов собственных частот и сравнение результатов. 7) Предложение новой схемы (алгоритма) построения упрощенных моделей по входной геометрии. В ходе выполнения работы был проведен анализ условий эксплуатации паровой турбины и сформулирован перечень требований к расчетным схемам. Для получения эталонных значений частот и форм собственных колебаний были разработаны детализированные твердотельные модели лопаток. Особое внимание в исследовании уделено проверке сеточной сходимости результатов, что позволило исключить влияние качества дискретизации на точность вычислений и обосновать выбор параметров конечно-элементной сетки для последующих этапов моделирования. Основу работы составляет метод конечных элементов, реализованный в программе автоматизированного инженерного анализа Ansys Workbench. С помощью модального анализа были определены спектры собственных частот и соответствующие им формы колебаний, среди которых идентифицированы и проанализированы изгибные, растягивающие и крутильные составляющие. Также были разработаны и исследованы упрощенные оболочечные и объемно-оболочечные модели. Проведено сопоставление результатов, что позволило сделать вывод об адекватности предложенных подходов. Ключевым результатом работы является разработка новой схемы (алгоритма) автоматизированного построения упрощенных моделей по входной геометрии. Предложенный подход позволяет эффективно переходить от сложных 3D-моделей к оптимизированным расчетным схемам без потери значимых динамических характеристик. Практическая значимость исследования заключается в возможности интеграции разработанного алгоритма в процесс проектирования и доводки лопаток паровых турбин на ранних стадиях. Использование предложенных моделей позволяет значительно ускорить проведение многовариантных оптимизационных расчетов. В процессе работы применялись современные информационные технологии, специализированная литература, высокопроизводительные вычислительные системы, а также специализированное программное обеспечение для численного моделирования.

This work is dedicated to the comprehensive study, development, and verification of simplified finite element models of steam turbine rotor blades. Solid, shell, and solid-shell finite element models were constructed to reduce computational costs when performing modal analysis. The following tasks were addressed during the research: 1. Analysis of operating conditions of rotor blades and the requirements imposed on them. 2. Development of solid finite element models for simplified real-world blade variants. 3. Execution of modal analyses, analysis of mode shapes, and identification of bending and torsional components. 4. Verification of result convergence. 5. Development of simplified shell and solid-shell models. 6. Calculation of natural frequencies and comparison of results. 7. Proposal of a new scheme (algorithm) for constructing simplified models based on input geometry. In the course of the work, an analysis of the steam turbine operating conditions was carried out, and a list of requirements for the computational schemes was formulated. To obtain reference values for natural frequencies and mode shapes, detailed solid models of the blades were developed. Attention in the study is paid to verifying the mesh convergence of the results, which made it possible to eliminate the influence of discretization quality on the calculation accuracy and to justify the choice of finite element mesh parameters for subsequent modeling stages. The study is based on the finite element method (FEM) implemented in the Ansys Workbench computer-aided engineering software. Using modal analysis, the spectra of natural frequencies and their corresponding mode shapes were determined, among which bending, tensile, and torsional components were identified and analyzed. Simplified shell and solid-shell models were also developed and investigated. A comparison of the results was made, allowing for a conclusion to be drawn regarding the adequacy of the proposed approaches. The key result of the work is the development of a new scheme (algorithm) for the automated construction of simplified models based on input geometry. The proposed approach allows for an efficient transition from complex 3D models to optimized computational schemes without the loss of significant dynamic characteristics. The practical significance of the research lies in the possibility of integrating the developed algorithm into the design and refinement process of steam turbine blades at the early stages. The use of the proposed models significantly accelerates the performance of multi-objective optimization calculations. In the process of the work, modern information technologies, specialized literature, high-performance computing systems, and specialized software for numerical simulation were utilized.