Удосконалення підходу до розрахунку напружено-деформованого стану елементів системи паророзподілу атомної електростанції
| dc.contributor.advisor | Риндюк, Дмитро Вікторович | |
| dc.contributor.author | Беднарська, Інна Станіславівна | |
| dc.date.accessioned | 2025-08-08T12:06:47Z | |
| dc.date.available | 2025-08-08T12:06:47Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Беднарська І.С. Удосконалення підходу до розрахунку напруженодеформованого стану елементів системи паророзподілу атомної електростанції. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Дисертаційна робота включає в себе 5 розділів. Робота присвячена удосконаленню підходу до визначення теплового та напружено-деформованого стану паророзподільної системи атомних електростанцій. Досліджувались газодинамічні процеси в проточному тракті головних паропроводів та їх елементів, а саме, в регулюючому клапані. У вступі подається інформація про актуальність обраної теми дослідження, її зв’язок із науковими програмами, тематиками та планами. Визначаються мета та завдання роботи, що сприяють розкриттю досліджуваного питання. Описуються об’єкт, предмет і методи дослідження. Також висвітлюється наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, особистий внесок автора, апробація результатів, публікації, а також структура й обсяг роботи. Перший розділ містить огляд літературних джерел, у яких висвітлюються дослідження інших авторів, що займаються подібною проблематикою. Проведено детальний аналіз конструкції системи паророзподілу енергоблоку №2, що отримує пару від парогенератора №2 Хмельницької атомної електростанції. Розглянуто основні елементи системи, їхню конструктивну будову, функціональне призначення та експлуатаційні особливості. Особлива увага приділена характеристикам паропроводів, регулюючих і стопорних клапанів. Проаналізовано наукові джерела, присвячені дослідженню напруженодеформованого стану обладнання електростанцій, зокрема, елементів паророзподілу. Розглянуто сучасні методи моделювання та розрахунку напружено-деформованого стану енергетичного обладнання. Проте аналіз літературних джерел показав, що попри значну увагу до цих питань, дослідження газодинамічних процесів у паророзподільчій системі, умов теплообміну, а також міцнісних і ресурсних характеристик обладнання залишаються вивченими не в повній мірі. Особливо актуальним є дослідження процесів руху вологої пари у головних паропроводах атомних електростанцій, оснащених турбінами К-1000-60/3000, оскільки такі турбіни широко використовуються на українських АЕС. На основі проведеного аналізу наукових праць обґрунтовано необхідність удосконалення підходів до розрахунку напружено-деформованого стану елементів системи паророзподілу. Це сприятиме підвищенню надійності та безпеки експлуатації обладнання атомних електростанцій, які генерують найбільшу частку електроенергії в Україні. У зв’язку з цим у дослідженні поставлено такі основні завдання: • аналіз конструкції та роботи системи паророзподілу енергоблоку атомної електростанції; • аналіз робіт інших авторів, щодо дослідження проблем елементів системи паророзподілу електростанцій; • аналіз методів дослідження газодинамічних процесів; • вибір математичної моделі газодинамічних процесів в проточному тракті елементів паророзподілу; • верифікація обраної математичної моделі на основі результатів розрахунку напружено-деформованого стану регулюючого клапана ЦСТ турбіни К-200-130; • чисельне дослідження газодинаміки паророзподільчої системи енергоблоку №2 ХАЕС; • розрахунок напружено-деформованого стану стопорнорегулюючого клапана турбіни К-1000/60-3000 енергоблоку №2 ХАЕС. Другий розділ присвячений вибору та обгрунтуванню математичної моделі, що описує газодинамічні процеси в системі паророзподілу атомної електростанції. Сучасний розвиток обчислювальної техніки та чисельних методів розв'язання системи рівнянь, іменованих CFD (Computation Fluid Dynamics), що описують газодинамічні процеси, дозволяє моделювати рух робочого тіла в проточному тракті різної конфігурації. Тому був проведений критичний аналіз існуючих методів моделювання течій теплоносіїв та обрано найбільш раціональний. Через високі вимоги до обчислювальних ресурсів основним робочим інструментом для вирішення прикладних завдань газодинаміки обрано методи, що базуються на застосуванні усереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'є-Стокса (RANS) в поєднанні з різними напівемпіричними моделями турбулентності. Розглянута велика кількість об'єктивної інформації про можливості різних напівемпіричних моделей турбулентності при моделюванні тих чи інших типів в'язких течій. Проаналізувавши інформацію, було обрано, за сукупністю своїх якостей, найбільш доцільну серед існуючих моделей турбулентності - модель Ментера (SST - k-ω Shear Stress Transport). Обрано методику дискретизації розрахункової області, розглянуто схеми дискретизації, підходи до побудови розрахункових сіток та критерії їхньої якості, що забезпечують точність чисельного моделювання. В результаті сформовано математичну модель і обрано чисельний метод математичного моделювання тривимірної стаціонарної течії в'язкої перегрітої пари, що базується на використанні осереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'єСтокса в поєднанні з напівемпіричною моделлю турбулентності к-ω SST та методу рішення на базі кінцевих об'ємів. У третьому розділі для перевірки адекватності та доцільності використання предсталеного розрахункового методу порівнювались наружено- деформовані стани стопорного клапана циліндра середнього тиску турбіни К200-130, для яких тепловий стан був розрахований двома способами: 1. З визначенням граничних умов теплообміну I-IV роду на основі критеріальних рівнянь. При цьому розглянуто граничні умови теплообміну, що застосовуються при моделюванні теплових процесів у клапані. Описано розрахункову модель регулюючого клапана, визначено основні параметри, які враховуються під час моделювання його роботи. 2. Дослідженням газодинаміки потоку, сформованого в проточному тракті регулюючого клапана та впливу структури потоку на елементи поверхні корпусу клапана на основі усереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'є-Стокса (RANS). В результаті проведених числових досліджень в програмному комплексі було визначено особливості протікання пари в регулюючому клапані, особливості розвитку парового потоку, особливості утворення вихорів в проточному тракті клапана та їх вплив на внутрішні стінки клапана. Проаналізовано вплив температури та тиску пари на внутрішні стінки регулюючого клапана. На основі отриманих даних виконано розрахунок напруженодеформованого стану клапана ЦСТ турбіни К-200-130, проаналізовано розподіл напружень і деформацій у його конструктивних елементах. При порівнянні результатів саме проведений комплекс числових експериментів по визначенню газодинаміки клапана дозволив запропонувати гіпотезу обґрунтування виникнення деградації внутрішніх поверхонь корпусу клапана з виникненням зон тріщеноутворення. У висновках до розділу підбито підсумки щодо точності та ефективності представленого методу розрахунку з врахуванням газодинамічних процесів, а також його доцільності для подальшого використання при оцінці ресурсу та надійності елементів системи паророзподілу. У четвертому розділі представлено чисельне дослідження газодинамічних процесів у паророзподільній системі енергоблоку №2 Хмельницької АЕС. З огляду на високі вимоги до потужностей ЕОМ і значну тривалість розрахунків, було прийнято рішення досліджувати лише окремі ділянки одного паропроводу, які однаково представлені на кожному з чотирьох паропроводів. Також було враховано лінійну зміну параметрів пари на прямих ділянках паропроводів. Прийнята міра дала можливість не тільки скоротити час і ресурси, що витрачаються на дослідження повної задачі, але і є досить надійним методом прогнозування зміни тиску, температури та швидкостей на схожих ділянках паропроводів. В якості об'єкта дослідження обрано проточний тракт паропровода №2 від парогенератора №2, включаючи стопорнорегулюючий клапан циліндра високого тиску турбіни К-1000-60/3000 ХАЕС. Результатом моделювання є 3-D газодинамічна структура потоку пари, розподіл швидкостей в потоці, температурні поля та розподіли тисків. Аналіз отриманих результатів чисельного моделювання надав можливість досить докладно оцінити вплив геометрії паропроводів на газодинамічні характеристики течії вологої пари. Перевірка адекватності чисельної моделі і коректності моделювання була проведена шляхом порівняння розрахункових результатів з даними, що контролюються датчиками на ХАЕС. Порівняння результатів дослідження та реальних даних дало задовільний збіг. Середня відносна похибка моделі становить близько 7%. Розроблена імітаційна модель є адекватною і може бути використана для розрахунку параметрів течії пари в паропроводах. У п’ятому розділі досліджено напружено-деформований стан регулюючого клапана паропроводу №2 енергоблоку №2 циліндра високого тиску турбіни К-1000-60/3000 Хмельницької АЕС. Основна увага приділена комплексному аналізу впливу газодинамічних і теплових процесів на напружений стан конструкції клапана, що вподальшому дозволить оцінити його надійність та довговічність. Виконано розрахунок газодинаміки регулюючого клапана, визначено особливості руху пари та її взаємодії з внутрішніми поверхнями клапана. Також, для порівняння, розглянуто метод розрахунку граничних умов теплообміну I-IV роду на основі критеріальних рівнянь, що використовується для визначення температурного поля в елементах конструкції. Проаналізовані теплові стани регулюючого клапана, визначені на основі двох різних підходів. Виконано розрахунок напружено-деформованого стану клапана. Окремо досліджено напружено-деформований стан клапана з урахуванням впливу парового сита, що є важливим елементом у розподілі потоку пари та формуванні навантажень на конструкцію. Встановлено, що включення сита в розрахункову модель дозволяє більш точно оцінити локальні напруження та визначити потенційні зони виникнення втомних пошкоджень. Аналіз напружено-деформованого станку металу клапана показав, що основні напруження виникають не тільки в місцях кріплення корпусу та сідла клапана, а й у точках контакту сита з внутрішньою поверхнею корпусу. Зона кріплення сита зазнає підвищених механічних навантажень через зміну гідродинамічного опору потоку пари. У порівнянні з моделлю без сита, максимальні напруження в корпусі клапана збільшилися приблизно на 7–10%, що свідчить про необхідність врахування цього елемента при розрахунках довговічності металу. | |
| dc.description.abstractother | Bednarska I.S. Improvement of the approach to the calculation of the stressstrain state of elements of the steam distribution system of a nuclear power plant. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Candidate of Technical Sciences (Doctor of Philosophy) in specialty 144 "Heat power engineering. - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2025. The dissertation work includes 5 chapters. The work is devoted to improving the approach to determining the thermal and stress-strain state of the steam distribution system of nuclear power plants. Gas-dynamic processes in the flow path of the main steam pipelines and their elements, namely, in the control valve, were studied. The introduction provides information about the relevance of the selected research topic, its connection with scientific programs, topics and plans. The goal and objectives of the work are determined, which contribute to the disclosure of the research question. The object, subject and methods of the study are described. The scientific novelty, practical value of the results obtained, the author's personal contribution, approbation of the results, publications, as well as the structure and scope of the work are also highlighted. The first chapter contains a review of literary sources, which highlight the research of other authors dealing with similar issues. A detailed analysis of the design of the steam distribution system of power unit № 2, which receives steam from steam № 2 of the Khmelnytskyi nuclear power plant, was carried out. The main elements of the system, their structural structure, functional purpose and operational features were considered. Special attention was paid to the characteristics of steam pipelines, control and stop valves. Scientific sources devoted to the study of the stress-strain state of power plant equipment, in particular, steam distribution elements, were analyzed. Modern methods of modeling and calculating the stress-strain state of power equipment were considered. However, the analysis of literary sources showed that despite significant attention to these issues, the study of gas-dynamic processes in the steam distribution system, heat exchange conditions, as well as the strength and resource characteristics of the equipment remain incompletely studied. The study of the processes of wet steam movement in the main steam pipelines of nuclear power plants equipped with K-1000-60/3000 turbines is particularly relevant, since such turbines are widely used at Ukrainian nuclear power plants. Based on the analysis of scientific works, the need to improve approaches to calculating the stress-strain state of the elements of the steam distribution system is substantiated. This will contribute to increasing the reliability and safety of operation of the equipment of nuclear power plants, which generate the largest share of electricity in Ukraine. In this regard, the following main tasks are set in the study: • analysis of the design and operation of the steam distribution system of the power unit of the nuclear power plant; • analysis of the works of other authors on the study of problems of the elements of the steam distribution system of power plants; • analysis of methods for studying gas-dynamic processes; • selection of a mathematical model of gas-dynamic processes in the flow path of steam distribution elements; • verification of the selected mathematical model based on the results of calculating the stress-strain state of the regulating valve of the medium pressure cylinder of the K-200-130 turbine; • numerical study of the gas dynamics of the steam distribution system of power unit № 2 of the KhNPP; • calculation of the stress-strain state of the K-1000/60-3000 turbine stopcontrol valve of KhNPP power unit № 2. The second chapter is devoted to the selection and justification of a mathematical model describing gas-dynamic processes in the steam distribution system of a nuclear power plant. The modern development of computing technology and numerical methods for solving a system of equations called CFD (Computation Fluid Dynamics), describing gas-dynamic processes, allows modeling the motion of a working fluid in a flow path of various configurations. Therefore, a critical analysis of existing methods for modeling coolant flows was conducted and the most rational one was selected. Due to the high requirements for computational resources, methods based on the use of Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) in combination with various semi-empirical turbulence models were selected as the main working tool for solving applied gas dynamics problems. A large amount of objective information on the capabilities of various semiempirical turbulence models in modeling certain types of viscous flows was considered. After analyzing the information, the most appropriate among the existing turbulence models was selected, based on the set of its qualities - the Menter model (SST - k-ω Shear Stress Transport). The method of discretization of the computational domain was selected, discretization schemes, approaches to constructing computational grids and criteria for their quality that ensure the accuracy of numerical modeling were considered. As a result, a mathematical model was formed and a numerical method for mathematical modeling of a three-dimensional stationary flow of viscous superheated steam was selected, which is based on the use of the Reynolds-averaged NavierStokes equations in combination with the semi-empirical turbulence model k-ω SST and the finite volume solution method. In the third chapter, to verify the adequacy and feasibility of using the presented calculation method, the strained-deformed states of the stop valve of the medium-pressure cylinder of the K-200-130 turbine were compared, for which the thermal state was calculated in two ways: 1. With the determination of the boundary conditions of heat exchange of the IIV kind based on criterion equations. In this case, the boundary conditions of heat exchange used in the modeling of thermal processes in the valve were considered. The calculation model of the control valve was described, the main parameters taken into account when modeling its operation were determined. 2. By studying the gas dynamics of the flow formed in the flow path of the control valve and the influence of the flow structure on the surface elements of the valve body based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS). As a result of the numerical studies conducted in the software complex, the features of steam flow in the control valve, the features of steam flow development, the features of vortex formation in the valve flow path and their influence on the internal walls of the valve were determined. The influence of steam temperature and pressure on the internal walls of the control valve was analyzed. Based on the data obtained, the stress-strain state of the valve of the medium pressure cylinder turbine K-200-130 was calculated, and the distribution of stresses and deformations in its structural elements was analyzed. When comparing the results, it was the complex of numerical experiments conducted to determine the gas dynamics of the valve that allowed us to propose a hypothesis to substantiate the occurrence of degradation of the internal surfaces of the valve body with the appearance of crack formation zones. The conclusions to the section summarize the accuracy and effectiveness of the presented calculation method taking into account gas-dynamic processes, as well as its feasibility for further use in assessing the resource and reliability of steam distribution system elements. The fourth chapter presents a numerical study of gas-dynamic processes in the steam distribution system of power unit № 2 of Khmelnytskyi NPP. Given the high requirements for computer power and the considerable duration of calculations, it was decided to study only individual sections of one steam pipeline, which are equally present on each of the four. The linear change in steam parameters on straight sections of steam pipelines was also taken into account. The adopted measure made it possible not only to reduce the time and resources spent on studying the full problem, but also is a fairly reliable method for predicting changes in pressure, temperature and velocities on similar sections of steam pipelines. The flow path of steam pipeline No. 2 from steam generator No. 2, including the stop-andcontrol valve of the high-pressure cylinder of the K-1000-60/3000 KhNPP turbine, was chosen as the object of study. The result of the modeling is the 3-D gas-dynamic structure of the steam flow, the velocity distribution in the flow, temperature fields and pressure distributions. Analysis of the results of numerical modeling made it possible to assess in sufficient detail the influence of the geometry of steam pipes on the gas-dynamic characteristics of the flow of wet steam. Verification of the adequacy of the numerical model and the correctness of the modeling was carried out by comparing the calculated results with the data monitored by sensors at the KhNPP. Comparison of the research results and real data gave a satisfactory match. The average relative error of the model is about 7%. The developed simulation model is adequate and can be used to calculate the parameters of steam flow in steam pipes. In the fifth chapter, the stress-strain state of the control valve of the steam line № 2 of the power unit № 2 of the high-pressure cylinder of the K-1000-60/3000 turbine of the Khmelnytskyi NPP is investigated. The main attention is paid to the comprehensive analysis of the influence of gas-dynamic and thermal processes on the stress state of the valve structure, which will subsequently allow assessing its reliability and durability. The gas dynamics of the control valve are calculated, the features of the steam movement and its interaction with the internal surfaces of the valve are determined. Also, for comparison, the method of calculating the boundary conditions of heat exchange of the I-IV kind based on criterion equations, which is used to determine the temperature field in the structural elements, is considered. The thermal states of the control valve, determined based on two different approaches, are analyzed. The stress-strain state of the valve is calculated. Separately, the stress-strain state of the valve was investigated, taking into account the influence of the steam screen, which is an important element in the distribution of steam flow and the formation of loads on the structure. It was established that the inclusion of the screen in the calculation model allows for a more accurate assessment of local stresses and the identification of potential zones of fatigue damage. Analysis of the stress-strain state of the valve metal showed that the main stresses arise not only in the places of attachment of the body and valve seat, but also at the points of contact of the screen with the inner surface of the body. The screen attachment zone is subjected to increased mechanical loads due to a change in the hydrodynamic resistance of the steam flow. Compared to the model without a screen, the maximum stresses in the valve body increased by approximately 7–10%, which indicates the need to take this element into account when calculating the durability of the metal. | |
| dc.format.extent | 147 с. | |
| dc.identifier.citation | Беднарська, І. С. Удосконалення підходу до розрахунку напружено-деформованого стану елементів системи паророзподілу атомної електростанції : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Беднарська Інна Станіславівна. – Київ, 2025. – 147 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/75498 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | тиск | |
| dc.subject | газодинаміка | |
| dc.subject | тепловий стан | |
| dc.subject | напружений стан | |
| dc.subject | напружено-деформований стан | |
| dc.subject | міцність | |
| dc.subject | теплообмін | |
| dc.subject | втомні пошкодження | |
| dc.subject | тріщини | |
| dc.subject | чисельне дослідження | |
| dc.subject | тривимірний розрахунок | |
| dc.subject | регулюючий клапан | |
| dc.subject | парова турбіна | |
| dc.subject | паропроводи | |
| dc.subject | фазовий перехід | |
| dc.subject | атомна електростанція | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject | pressure | |
| dc.subject | gas dynamics | |
| dc.subject | thermal state | |
| dc.subject | stress state | |
| dc.subject | stress-strain state | |
| dc.subject | strength | |
| dc.subject | heat transfer | |
| dc.subject | fatigue damage | |
| dc.subject | cracks | |
| dc.subject | numerical study | |
| dc.subject | three-dimensional calculation | |
| dc.subject | control valve | |
| dc.subject | steam turbine | |
| dc.subject | steam pipelines | |
| dc.subject | phase transition | |
| dc.subject | nuclear power plant | |
| dc.subject.udc | 621.165 | |
| dc.title | Удосконалення підходу до розрахунку напружено-деформованого стану елементів системи паророзподілу атомної електростанції | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: