CAE技术在工业汽轮机行业中的应用

1、CAE技术在工业汽轮机行业中的应用作者：隋永枫孙义冈1前言随着现代工业的快速发展，不断扩大的工业汽轮机应用范围对其性能提出了更高的要求。应用高性能的工业汽轮机可进一步提高能源利用效率，有效减少污染物排放，对国民经济和社会可持续发展具有重要的意义。汽轮机组的性能和可靠性一直是汽轮机行业关注的重点，涉及到多个领域的内容，是一项多学科的交叉应用的课题。 它包括固体力学中的动静强度分析、 振动的模态分析，振动响应分 析；热力学中的热力分析； 流体力学中的气体动力学和叶轮机械内部的气动弹性问题；叶型的优化还涉及到优化方面的内容。基于工业汽轮机结构、 所处环境以及多部件密切配合工作等复杂性，长期以来，大部

2、分依靠强度和风洞等试验来推动新产品的开发和研制，这使得汽轮机开发周期很长。自上世纪五六十年代以来，各种计算技术的发展， 特别是最近二三十年， 各种商业软件的日益完善和计算 机硬件技术的飞速发展，使得各种CAE技术能够部分替代强度和风洞等试验，在一定范围内，能够得到较为可靠的气动和强度性能，这大大缩短了汽轮机的开发周期。但如何将这些先进的计算流体力学、计算固体力学等技术更好地与汽轮机行业相结合，特别是与已有的汽轮机行业经验和准则相结合，目前仍是一个亟需完善的课题，本文就是将各种先进的CAE技术与汽轮机已有行业准则相结合，开发出一个有针对性的实用的以汽轮机叶片研发为核心的开发平台，这对我国工业汽轮

3、机产业研发工作来讲是非常需要而且非常有意 义的。2叶片开发平台构架2.1开发平台体系学科构架一个产品的研发，是一个系统的工程，它涉及到多学科的方方面面内容，需要建立一整套的设计、分析、评估体系，这就需要建立一个能够容纳整个体系的技术平台，只有有了这样 的一个平台，才能更好地利用我们的设计数据库，才能更有效地提高我们技术开发的效率和能力。表1给出了开发平台体系的学科构架。表1开发平台体系学科构架幵廉平籽敏蝎库耸理醉球设讣略分發靳鄧分产品洋册部分存亚锲速设计 円初谊期谊计 %动优化设计碱悴力学分析转丁动力学旺栖叶片整悴安盘件评站 嚣曜振胡试骁考也厕丄装配、站會公的突赫菁抚出旧22开发平台体系流程下

4、图1给出了以低压级组叶片为对象的开发体系具体流程图。对于初始设计更多地需要依靠已有的工程经验和行业内的快速设计方法，在此基础上发挥CAE技术的优势，进行全三维的结构设计、分析和优化。在该开发流程中，除初始开发设计外，其余部分均采用三维CAE技术来完成，几何造型、结构设计优化和强度振动部分采用Ansys-Bladegen 、Ansys-Workbench和Ansys-Classic等商业软件，流场分析和优化以及流固耦合技术采用CFX及其子模块Turbosystem 等商业软件。通过对级组进行结构和气动的分析和优化，结合已有叶型库和行业内的强度、振动和安全性的评价准则，综合判断级组的安全性。11m

5、(inr图1开发体系流程图叶111二摄型繭乳M姑构役th蛛挣叶囲料柯組配乩护科此业吨.当抵-j处析3 CAE技术在工业汽轮机低压级组叶片开发中的应用本部分以低压级组叶片为例详细介绍CAE技术在低压级组叶片中的应用。3.1叶型几何造型及参数化处理图2和图3给出了杭州汽轮机股份有限公司某低压叶片级组的末级叶片的实体图和截面示 意图，图4给出了各截面的相对位置示意图。应用Bladegen软件将叶型各截面进行参数化处理，可方便提取出叶片各截面的特性参数，图5给出了压力面吸力面方法拟和后的叶型，图6给出了各截面厚度沿叶高分布图，图7给出了叶型各截面中弧线示意图，图8给出了叶片各截面面积沿叶高的分布，图9

6、给出了叶型各截面几何进口角和出口角沿叶高的为之后的叶片改型提分布。根据这些截面属性可以很好地把握叶型的强度振动和气动性能, 供了依据。图2叶片实体图图4叶片各截面相对位置示意图3.2.1气动模型介绍图5叶型表示形式（Bezier曲线、背弧；Spline曲线、内弧图6某末级叶片各截面厚沿叶高分布图图8某末级叶片面积度沿叶高分布图150万个节点，采用周向下图10给出了某低压级组的流道模型和流道网格示意图，具有 平均模型。工质采用了IF97湿蒸汽模型。iw1厚口 R图10单个流道示意图及网格示意图322叶片级组气动和变工况分析F图11-13分别给出了某工况下叶片组10%、50%和90%叶高的压力分布

7、图。图 14给出了随着级组背压变化的变工况曲线图，可以看到，该级组在设计背压时，效率在80%左右,已满足设计要求。随着背压的升高，级组的效率逐渐增大，当级组背压为2倍设计背压时，级组效率相对较高， 这是由于，由于背压的升高，使得级组出口的余速损失减小，从而效率 增大，但此时末级叶片出功较少。I J佃*斗图12 50%叶高压力和速度图图11 10%叶高压力和速度图1Ml图13 90%叶高压力和速度图 图14不同背压下级组效率变工况曲线图3.3低压级组叶片强度和振动分析图15给出了某低压叶片级组末级叶片模型，图16至18是为了分析危险截面而切割出来的面，本节针对该模型进行 有限元分析，以达到校核叶

8、片强度的目的。通过求解可方便地得到各危险路径的各种应力，图19给出了图17种路径P3-2的各主要应力情况，这样可通20和图过行业内各经验准则来综合判断该处危险截面的安全性。进一步还可求出不同过盈量下各危 险截面的应力集中系数、挤压应力等数据，以便更好地分析叶片和叶轮的性能。图21分别给出了在某过盈配合下销子、叶根及轮缘接触面的接触压力图和接触间隙图。图15某低压叶片级组末级叶片模型图16叶根沿上、下销子中心切开示意图图17叶根各切面上分析路径编号图18轮缘各切面上分析路径编号图19沿P3-2分析路径计算得出的各种应力图20销子、叶根及轮缘接触压力图图21销子、叶根及轮缘接触间隙图3.4基于流固

9、耦合技术的叶片安全性判断方法3.4.1流固耦合方法求解叶片气流弯应力本节将单向流固耦合技术应用到求解叶片气流弯应力中来，首先通过三维气动分析求出流场的各个参数，特别是各级叶片的表面静压，然后再将气动计算出来的压力作用在叶片表面， 应用计算固体力学计算软件ANSYS-Workbe nch 可以算得叶片在气流力作用下的表面应力状态。图22至图25给出了某低压叶片级组在某工况下的各级动叶片所受气流弯应力的情 况，从图中可以看到，最大气流弯应力均位于叶片下部，且都满足许用的气流弯应力准则， 则在此情况下是安全的。图22末一级叶片气流弯应力情况图24末三级叶片气流弯应力情况342基于流固耦合分析的叶片安

10、全性的评判方法汽轮机行业技术手册给出了叶片安全性的评判准则，本节将流固耦合计算方法与该评判准则相结合，综合评价叶片的安全性和可靠性。本节以3.2节中的低压叶片级组为例，通过三维气动流场的计算能够得到在该工况下各叶 片表面的静压力，进一步可以积分出各节点上的力，这样编制程序可方便地求得该叶片各个截面所受的最大气流弯应力，进一步还可以算得叶片各截面的安全倍率。4其他案例介绍4.1整圈自锁叶片振动计算27给出了循环对称F图26为某低压级组末级单只叶片，该叶片采用围带和凸台结构，图在各围带接触面间和计算时整圈展开模型。叶片运行时在离心力作用下呈现整圈成组特性。凸台接触面间应用正交各向异性材料来模拟叶片

11、间的非线接触特性，如图28和图29，采用循环对称计算方法计算轮盘的振动模态。可得到整圈叶片的各阶共振转速，如图30和图31，进一步可判定该级叶片是否存在三重点图26某低压级组末级叶片模型图27循环对称计算时整圈展开模型图28围带接触处填入正交各向异性材料图30 2节径共振频率与倍频线的关系图31 3节径共振频率与倍频线的关系4.2某机组溢流阀的优化某机组因溢流阀在现场运行中存在严重的振动问题，计算结果表明气流流入溢流阀阀碟内部的空腔，会诱发阀体振动，如图32和图33。通过流场的分析和优化， 对阀座结构进行改造,研发出钟罩阀的结构，图34和图35表面钟罩阀的流场更稳定，更合理。图32溢流阀纵剖面速度分布图34钟罩阀纵剖面速度分布4.3某低压叶片断裂改进项目下图是某石化企业转子断裂图片，从图36中可以看到，该级叶片有 2只断裂，位置位于拉金孔危险截面处，