Kétdimenziós gőzturbina lapátrács optimalizációja
A megújuló energiaforrások térnyerésének ellenére is a világ villamos energia igényének túlnyomó hányadát gőzturbinák biztosítják. Emellett az ipari létesítmények jelentős része alkalmazza ezt a hőerőgépet költségcsökkentés céljából. A modern gőzturbinák hatásfokának javításában már néhány század százalékos javulás is figyelemre méltó eredménynek tekinthető, így komoly műszaki és gazdasági potenciált jelent a gőzturbinák optimalizációja. A lapátrács hatásfokát elsősorban a geometriája befolyásolja, ezért dolgozatomban a geometriai változtatások adott gőzparaméterekre vonatkoztatott hatását vizsgáltam.
A gőzturbina lapátok tervezése hatalmas fejlődésen ment keresztül az első gépek üzembe állása óta. Eleinte vékony, hosszú profilokat használtak az 1900-as évektől kezdve az 1940-50-es évekig, majd a technológia fejlődésével egyre vastagabb, robosztusabb konstrukciókat alkalmaztak. Az 1990-es években az egyenes lapátokat felváltották a térben elcsavart lapátok. A lapáttervezés módszereit három nagy korszakba tudjuk sorolni. Az első korszakra jellemző volt – számítógépes erőforrások hiányában – az áramlástani számításokon és kísérleti alapokon nyugvó tervezés. A második korszakra a számítógépes, kétdimenziós tervezés volt jellemző, míg a harmadik korszakban, napjainkban, a fejlett numerikus áramlástani szoftverek eredményeit használják fel az összetett geometriák létrehozásához. A neves turbinalapát gyártó cégek ennek ellenére még mindig hagyomány alapján végzik a 3D-s lapáttervezést, mivel ezek kellően általános optimalizációja a jelentős erőforrásigény miatt nem lehetséges.
Dolgozatomban 2D-s lapátprofilt szimuláltam Ansys szoftverkörnyezet segítségével. A geometriai paraméterek változtatását a program beépített genetikus algoritmust felhasználó optimalizációs modul segítségével végeztem el. Ez lehetőséget biztosít, hogy gyorsabban meghatározzuk az ideális konstrukciót, mintha minden lehetőséget végig néznénk.
A lapátgeometriát az iparban és a kutatás-fejlesztés területén is Bézier-görbék használatával definiálják. Dolgozatomban ettől eltérően, különböző sugarú, egymással tangenciális körívekből építettem fel a geometriát, melynek köszönhetően a paraméterek könnyebben változtathatók, átláthatók. Az optimalizációs modul a sugarak változtatva hozott létre új geometriákat.
A munkám során törekedtem az adott körülmények között legjobb siklószámmal rendelkező konstrukció megtalálására. Így a fokozat axiális terhelése relatíve csökken ugyanahhoz a kerületi teljesítményhez képest, mely végeredményben a gép belső hatásfokát növeli.
