CAE技術(shù)在工業(yè)汽輪機(jī)行業(yè)中的應(yīng)用

1、CAE技術(shù)在工業(yè)汽輪機(jī)行業(yè)中的應(yīng)用作者：隋永楓 孫義岡1 前言隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，不斷擴(kuò)大的工業(yè)汽輪機(jī)應(yīng)用范圍對(duì)其性能提出了更高的要求。應(yīng)用高性能的工業(yè)汽輪機(jī)可進(jìn)一步提高能源利用效率，有效減少污染物排放，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。汽輪機(jī)組的性能和可靠性一直是汽輪機(jī)行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，涉及到多個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容，是一項(xiàng)多學(xué)科的交叉應(yīng)用的課題。它包括固體力學(xué)中的動(dòng)靜強(qiáng)度分析、振動(dòng)的模態(tài)分析，振動(dòng)響應(yīng)分析；熱力學(xué)中的熱力分析；流體力學(xué)中的氣體動(dòng)力學(xué)和葉輪機(jī)械內(nèi)部的氣動(dòng)彈性問題；葉型的優(yōu)化還涉及到優(yōu)化方面的內(nèi)容?；诠I(yè)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境以及多部件密切配合工作等復(fù)雜性，長(zhǎng)期以來，大部分依靠

2、強(qiáng)度和風(fēng)洞等試驗(yàn)來推動(dòng)新產(chǎn)品的開發(fā)和研制，這使得汽輪機(jī)開發(fā)周期很長(zhǎng)。自上世紀(jì)五六十年代以來，各種計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，特別是最近二三十年，各種商業(yè)軟件的日益完善和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得各種CAE 技術(shù)能夠部分替代強(qiáng)度和風(fēng)洞等試驗(yàn)，在一定范圍內(nèi)，能夠得到較為可靠的氣動(dòng)和強(qiáng)度性能，這大大縮短了汽輪機(jī)的開發(fā)周期。但如何將這些先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算固體力學(xué)等技術(shù)更好地與汽輪機(jī)行業(yè)相結(jié)合，特別是與已有的汽輪機(jī)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)則相結(jié)合，目前仍是一個(gè)亟需完善的課題，本文就是將各種先進(jìn)的CAE 技術(shù)與汽輪機(jī)已有行業(yè)準(zhǔn)則相結(jié)合，開發(fā)出一個(gè)有針對(duì)性的實(shí)用的以汽輪機(jī)葉片研發(fā)為核心的開發(fā)平臺(tái)，這對(duì)我國(guó)工業(yè)汽輪機(jī)產(chǎn)業(yè)研

3、發(fā)工作來講是非常需要而且非常有意義的。2 葉片開發(fā)平臺(tái)構(gòu)架2.1 開發(fā)平臺(tái)體系學(xué)科構(gòu)架一個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)，是一個(gè)系統(tǒng)的工程，它涉及到多學(xué)科的方方面面內(nèi)容，需要建立一整套的“設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估”體系，這就需要建立一個(gè)能夠容納整個(gè)體系的技術(shù)平臺(tái)，只有有了這樣的一個(gè)平臺(tái)，才能更好地利用我們的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能更有效地提高我們技術(shù)開發(fā)的效率和能力。表1 給出了開發(fā)平臺(tái)體系的學(xué)科構(gòu)架。表1 開發(fā)平臺(tái)體系學(xué)科構(gòu)架2.2 開發(fā)平臺(tái)體系流程下圖1 給出了以低壓級(jí)組葉片為對(duì)象的開發(fā)體系具體流程圖。對(duì)于初始設(shè)計(jì)更多地需要依靠已有的工程經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)內(nèi)的快速設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮CAE 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行全三維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析

4、和優(yōu)化。在該開發(fā)流程中，除初始開發(fā)設(shè)計(jì)外，其余部分均采用三維CAE 技術(shù)來完成，幾何造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和強(qiáng)度振動(dòng)部分采用Ansys-Bladegen、Ansys-Workbench 和Ansys-Classic等商業(yè)軟件，流場(chǎng)分析和優(yōu)化以及流固耦合技術(shù)采用CFX及其子模塊Turbosystem 等商業(yè)軟件。通過對(duì)級(jí)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)的分析和優(yōu)化，結(jié)合已有葉型庫(kù)和行業(yè)內(nèi)的強(qiáng)度、振動(dòng)和安全性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，綜合判斷級(jí)組的安全性。圖1 開發(fā)體系流程圖3 CAE 技術(shù)在工業(yè)汽輪機(jī)低壓級(jí)組葉片開發(fā)中的應(yīng)用本部分以低壓級(jí)組葉片為例詳細(xì)介紹CAE 技術(shù)在低壓級(jí)組葉片中的應(yīng)用。3.1 葉型幾何造型及參數(shù)化處理圖2

5、和圖3 給出了杭州汽輪機(jī)股份有限公司某低壓葉片級(jí)組的末級(jí)葉片的實(shí)體圖和截面示意圖，圖4 給出了各截面的相對(duì)位置示意圖。應(yīng)用Bladegen 軟件將葉型各截面進(jìn)行參數(shù)化處理，可方便提取出葉片各截面的特性參數(shù)，圖5 給出了壓力面吸力面方法擬和后的葉型，圖6 給出了各截面厚度沿葉高分布圖，圖7 給出了葉型各截面中弧線示意圖，圖8給出了葉片各截面面積沿葉高的分布，圖9 給出了葉型各截面幾何進(jìn)口角和出口角沿葉高的分布。根據(jù)這些截面屬性可以很好地把握葉型的強(qiáng)度振動(dòng)和氣動(dòng)性能，為之后的葉片改型提供了依據(jù)。圖2 葉片實(shí)體圖圖4 葉片各截面相對(duì)位置示意圖圖5 葉型表示形式（Bezier 曲線、背弧；Spline

6、 曲線、內(nèi)弧圖6 某末級(jí)葉片各截面厚沿葉高分布圖圖8 某末級(jí)葉片面積度沿葉高分布圖3.2.1 氣動(dòng)模型介紹下圖10 給出了某低壓級(jí)組的流道模型和流道網(wǎng)格示意圖，具有150 萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用周向平均模型。工質(zhì)采用了IF97 濕蒸汽模型。圖10 單個(gè)流道示意圖及網(wǎng)格示意圖3.2.2 葉片級(jí)組氣動(dòng)和變工況分析下圖11-13 分別給出了某工況下葉片組10%、50%和90%葉高的壓力分布圖。圖14 給出了隨著級(jí)組背壓變化的變工況曲線圖，可以看到，該級(jí)組在設(shè)計(jì)背壓時(shí)，效率在80%左右，已滿足設(shè)計(jì)要求。隨著背壓的升高，級(jí)組的效率逐漸增大，當(dāng)級(jí)組背壓為2 倍設(shè)計(jì)背壓時(shí)，級(jí)組效率相對(duì)較高，這是由于，由于背壓的升高

7、，使得級(jí)組出口的余速損失減小，從而效率增大，但此時(shí)末級(jí)葉片出功較少。圖11 10%葉高壓力和速度圖 圖12 50%葉高壓力和速度圖圖13 90%葉高壓力和速度圖 圖14 不同背壓下級(jí)組效率變工況曲線圖3.3 低壓級(jí)組葉片強(qiáng)度和振動(dòng)分析圖15 給出了某低壓葉片級(jí)組末級(jí)葉片模型，圖16 至18 是為了分析危險(xiǎn)截面而切割出來的面，本節(jié)針對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，以達(dá)到校核葉片強(qiáng)度的目的。通過求解可方便地得到各危險(xiǎn)路徑的各種應(yīng)力，圖19 給出了圖17 種路徑P3-2 的各主要應(yīng)力情況，這樣可通過行業(yè)內(nèi)各經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則來綜合判斷該處危險(xiǎn)截面的安全性。進(jìn)一步還可求出不同過盈量下各危險(xiǎn)截面的應(yīng)力集中系數(shù)、擠壓應(yīng)力等

8、數(shù)據(jù)，以便更好地分析葉片和葉輪的性能。圖20和圖21 分別給出了在某過盈配合下銷子、葉根及輪緣接觸面的接觸壓力圖和接觸間隙圖。圖15 某低壓葉片級(jí)組末級(jí)葉片模型 圖16 葉根沿上、下銷子中心切開示意圖圖17 葉根各切面上分析路徑編號(hào) 圖18 輪緣各切面上分析路徑編號(hào)圖19 沿P3-2 分析路徑計(jì)算得出的各種應(yīng)力圖20 銷子、葉根及輪緣接觸壓力圖 圖21 銷子、葉根及輪緣接觸間隙圖3.4 基于流固耦合技術(shù)的葉片安全性判斷方法3.4.1 流固耦合方法求解葉片氣流彎應(yīng)力本節(jié)將單向流固耦合技術(shù)應(yīng)用到求解葉片氣流彎應(yīng)力中來，首先通過三維氣動(dòng)分析求出流場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)，特別是各級(jí)葉片的表面靜壓，然后再將氣動(dòng)計(jì)

9、算出來的壓力作用在葉片表面，應(yīng)用計(jì)算固體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS-Workbench 可以算得葉片在氣流力作用下的表面應(yīng)力狀態(tài)。圖22 至圖25 給出了某低壓葉片級(jí)組在某工況下的各級(jí)動(dòng)葉片所受氣流彎應(yīng)力的情況，從圖中可以看到，最大氣流彎應(yīng)力均位于葉片下部，且都滿足許用的氣流彎應(yīng)力準(zhǔn)則，則在此情況下是安全的。圖22 末一級(jí)葉片氣流彎應(yīng)力情況圖24 末三級(jí)葉片氣流彎應(yīng)力情況3.4.2 基于流固耦合分析的葉片安全性的評(píng)判方法汽輪機(jī)行業(yè)技術(shù)手冊(cè)給出了葉片安全性的評(píng)判準(zhǔn)則，本節(jié)將流固耦合計(jì)算方法與該評(píng)判準(zhǔn)則相結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)葉片的安全性和可靠性。本節(jié)以3.2 節(jié)中的低壓葉片級(jí)組為例，通過三維氣動(dòng)流場(chǎng)的計(jì)算能

10、夠得到在該工況下各葉片表面的靜壓力，進(jìn)一步可以積分出各節(jié)點(diǎn)上的力，這樣編制程序可方便地求得該葉片各個(gè)截面所受的最大氣流彎應(yīng)力，進(jìn)一步還可以算得葉片各截面的安全倍率。4 其他案例介紹4.1 整圈自鎖葉片振動(dòng)計(jì)算下圖26為某低壓級(jí)組末級(jí)單只葉片，該葉片采用圍帶和凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，圖27給出了循環(huán)對(duì)稱計(jì)算時(shí)整圈展開模型。葉片運(yùn)行時(shí)在離心力作用下呈現(xiàn)整圈成組特性。在各圍帶接觸面間和凸臺(tái)接觸面間應(yīng)用正交各向異性材料來模擬葉片間的非線接觸特性，如圖28和圖29，采用循環(huán)對(duì)稱計(jì)算方法計(jì)算輪盤的振動(dòng)模態(tài)?？傻玫秸θ~片的各階共振轉(zhuǎn)速，如圖30和圖31，進(jìn)一步可判定該級(jí)葉片是否存在“三重點(diǎn)”。圖26 某低壓級(jí)組末級(jí)葉片

11、模型 圖27 循環(huán)對(duì)稱計(jì)算時(shí)整圈展開模型圖28 圍帶接觸處填入正交各向異性材料圖30 2 節(jié)徑共振頻率與倍頻線的關(guān)系 圖31 3 節(jié)徑共振頻率與倍頻線的關(guān)系4.2 某機(jī)組溢流閥的優(yōu)化某機(jī)組因溢流閥在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中存在嚴(yán)重的振動(dòng)問題，計(jì)算結(jié)果表明氣流流入溢流閥閥碟內(nèi)部的空腔，會(huì)誘發(fā)閥體振動(dòng)，如圖32和圖33。通過流場(chǎng)的分析和優(yōu)化，對(duì)閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，研發(fā)出鐘罩閥的結(jié)構(gòu)，圖34和圖35表面鐘罩閥的流場(chǎng)更穩(wěn)定，更合理。圖32 溢流閥縱剖面速度分布圖34 鐘罩閥縱剖面速度分布4.3 某低壓葉片斷裂改進(jìn)項(xiàng)目下圖是某石化企業(yè)轉(zhuǎn)子斷裂圖片，從圖36 中可以看到，該級(jí)葉片有2 只斷裂，位置位于拉金孔危險(xiǎn)截面處，斷裂葉片處拉