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Tesi etd-09022019-100042


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
BAGGIANI, CESARE
email address
cesarebaggiani96@gmail.com
URN
etd-09022019-100042
Title
Automazione delle verifiche FEM dello stadio di controllo di turbina a vapore
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA MECCANICA
Supervisors
relatore Prof. Bertini, Leonardo
relatore Prof. Santus, Ciro
Parole chiave
  • statica
  • static
  • stadio di controllo
  • stadio ad azione
  • SFA3
  • SFA2
  • SFA1
  • SAFE
  • rotore palettato
  • rotore
  • rotor
  • root
  • risonanza
  • resonance
  • regolazione della portata
  • regolation valve
  • project
  • procedure
  • procedura
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  • partial arc
  • parametric model
  • pale
  • NX
  • Nuovo Pignone
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  • nozzle passing frequency
  • nodal diameter
  • named selections
  • modo torsionale
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  • modo flessionale
  • modello parametrico
  • modellazione
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  • modal
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  • mechanical engineering
  • maximum case
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  • MATLAB routine
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  • mass flow regolation
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  • laminazione
  • ingegneria meccanica
  • impulse stage
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  • harmonic response
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  • Goodman
  • harmonic
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  • forza tangenziale
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  • axial force
  • automazione CAD
  • automazione
  • Ansys
  • analisi statica
  • analisi modale
  • analisi armonica
  • analisi
  • ammissione su arco parziale
  • airfoil
  • aeromechanics
  • aeromeccanica
  • steam turbines
  • tangential force
  • template
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  • turbine a vapore
  • UG
  • ugelli
  • valvola di regolazione
  • VB
  • VBA
  • verifica a fatica
  • verifiche
  • vibrazioni
  • Workbench
  • workflow
Data inizio appello
09/10/2019;
Consultabilità
Secretata d'ufficio
Data di rilascio
09/10/2089
Riassunto analitico
Riassunto
Con il presente lavoro di tesi realizzato presso Nuovo Pignone, è stata sviluppata una procedura per automatizzare le verifiche FEM dello stadio di controllo di turbina a vapore, con lo scopo di migliorarne la procedura di design.
Il tool, che consiste di routines MATLAB, modelli parametrici CAD, template Ansys e macro in VBA, permette quindi di condurre le verifiche statiche, modali e armoniche sullo stadio di controllo.

Il primo step della procedura consiste nell’ottenere sistematicamente la geometria del modello FEM su cui compiere verifiche. Tale geometria è formata da pala, settore di rotore (che si ripete ciclicamente sui 360 gradi) e sistemi di fissaggio della pala al rotore.
Il modello sviluppato comprende tutte le possibili geometrie dello stadio di controllo, sia a livello topologico, ossia con forme di attacchi e tettucci della pala differenti, sia a livello di dimensioni.
Lo script MATLAB riceve come input un file di output di STS, tool interno per il dimensionamento e l’analisi delle prestazioni delle turbine, contenente la definizione della geometria di base ed estrae in output un file di testo, che, importato sul modello CAD parametrico, restituisce la geometria desiderata.
Sul modello CAD parametrico sono definite named selections, che permangono all’aggiornamento della geometria, e che quindi consentono di creare un unico template Ansys parametrico dove l’applicazione dei vincoli, dei carichi, dei materiali, e l’ordine di meshatura e il relativo sizing sono definiti parametricamente sulle named selections.

Il lavoro si è poi concentrato sull’automazione delle analisi modale e armonica.

Per quanto riguarda la modale, si è prima proceduto, tramite il confronto con risultati provenienti da casi studio sperimentali, a determinare la modellazione, sul template descritto in precedenza, in termini di rigidezza dei contatti, che garantisse risultati più accurati in termini di frequenze dei modi propri, ottenendo errori inferiori al 10%; poi tramite l’inserimento di uno snippet, sono esportati automaticamente i risultati in termini di frequenze e diametri nodali in un file Excel, su cui, poi tramite una macro implementata in linguaggio VBA, vengono costruiti il diagramma di Campbell e il diagramma SAFE, in cui le risonanze sono individuate dall’intersezione tra curve rappresentanti i modi propri e curve rappresentanti i modi prodotti dalle forzanti.
L’interfaccia con l’utente è gestita tramite un bottone, che contiene la macro e genera automaticamente i diagrammi.
Per quanto riguarda l’armonica, è stato condotto uno studio accurato sull’andamento della forzante sulla pala rotorica nel tempo dovuto agli effetti di ammissione su arco parziale e laminazione.
I parametri considerati sono l’arco angolare di disposizione delle valvole, il numero di valvole, la tipologia di cassa di fusione su cui sono innestati valvole e ugelli, le tipologie e dimensioni degli ugelli, le condizioni di funzionamento della turbina, la percentuale di apertura delle valvole di regolazione, la differente disposizione delle valvole in base al senso di rotazione e alla tipologia della cassina, il crierio di chiusura delle valvole, l’andamento ipotizzato della forza nel passaggio da zona senza flusso di vapore a zona con flusso di vapore e viceversa.
Uno script MATLAB sviluppato riceve in input un file di STS, contenente i dati geometrici, termodinamici e i parametri di funzionamento necessari, e, tenendo conto degli aspetti sopracitati, ricava l’andameno della forza sulla pala rotante in un periodo.
Tramite la trasformata di Fourier, si ottengono quindi le componenti alle varie frequenze, e infine il valore di forza armonica da applicare sul template Ansys per condurre una verifica a fatica ad una frequenza selezionata all’interno delle possibili frequenze delle forzanti (low-per-rev e nozzle passing frequencies).
Solitamente, l’analisi viene condotta alla frequenza di risonanza ma non è possibile escludere la presenza di elevati stress alternati anche laddove non vi sia risonanza ma sia presente un’elevata componente armonica di forza.
Infine, per completare la valutazione della vita a fatica, si inseriscono gli stress derivanti da un’analisi statica e quelli derivanti dall’analisi armonica all’interno del diagramma di Goodman e si verifica il coefficiente di sicurezza.

Integrando l’automazione sviluppata nella fase di design, si ottengono analisi più accurate, che consentono di diminuire i coefficienti di sicurezza utilizzati. Ciò porta a risparmio di materiale e stadi con pale con maggiore efficienza aerodinamica.

Abstract
With the following thesis work, made in the company Nuovo Pignone, a procedure to automatize the FEM analyses of the control stage of steam turbines has been developed, aiming to improve the design flow of the stage.
Therefore, the tool, which consists of MATLAB routines, CAD parametric models, Ansys template and macros in Excel, allows to run static, modal and harmonic analyses on the control stage.

The first step of the procedure consists in systematically obtaining the geometry of the FEM model, on which the chosen analyses will be run.
The developed model includes all the possible geometries of the control stage, considering both topology and size variability.
The MATLAB routine receives input data from an output file from STS, an internal tool used to dimension and analyze the efficiency of the steam turbines. This file contains data which allow the definition of a basic geometry of the control stage. By using this input file and the routine, a text file is given as an output. By importing this text file on the CAD parametric model, the desired geometry is obtained.
On the CAD parametric model, named selections are defined. The named selections remain when the geometry is changed, so that is possible to create a single parametric Ansys template, where the assignment of the constraints, loads, materials, the meshing order, the sizing are defined parametrically basing on the named selections.

Then, the work focused on the automation of the modal and the harmonic analyses.

As concerns the modal, firstly, it was made a comparison with the experimental data to correctly define the stiffness of the contacts in the Ansys template, obtaining frequency values in the range of maximum 10% of the measured ones.
Secondly, a snippet was inserted into the Ansys template to automatically extract the results in term of frequencies and nodal diameters in an Excel file, on which, through a macro in VBA language, the Campbell and the SAFE diagram are generated.
The resonance conditions are identified from the intersection between curves that represent the natural modes and curves that represent the modes stimulated by the forcing function.
The generation of the diagrams works simply by clicking a generated button which contains the macro.
As concerns the harmonics, an accurate study was carried out to determine the trend of the force over time. The effects involved in the analysis are the ones related to the throttling, the partial arc admission, the number of valves, the type of the inner casing in which valves and nozzles are placed, the type and the size of the nozzles, the working conditions of the turbine, the throttling percentage of the valves, the different position of the valves depending on the sense of rotation and the type of the inner casing, the criteria of throttling of the valves, the supposed trend of the force during the transition from a portion with no steam flow and one with steam flow and vice versa.
Considering these effects, a second MATLAB routine has been developed. The MATLAB routine receives as input the geometric and thermodynamic data needed from an input file from STS, and by taking into account the above-mentioned effects, calculates the trend of the force over time acting on the moving blade.
By using the Fourier transform, it is possible to obtain the frequency spectrum and the value of the force to be applied in the Ansys template to evaluate the HCF life of the stage, once the frequency of the forcing function has been selected between the possible ones (low-per-rev and nozzle passing frequencies).
Usually, the harmonic response is evaluated at the resonance frequency, but it can not be excluded that elevate stress could rise even in not-resonant conditions if a high value of harmonic force is present.
In the end, the evaluation of HCF life is carried out by putting the medium stress from a static analysis and the alternate stress from a harmonic analysis into the Goodman diagram.

By integrating the developed tool in the design flow, it is possible to obtain more accurate analyses, which allow to lower the safety factors, which, in turn, leads to material saving and stages with better aerodynamic efficiency.
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