《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》是杭州汽輪機股份有限公司於2014年7月28日申請的發明專利，該專利申請號為2014103589766，公布號為CN104200003A，公布日為2014年12月10日，發明人是隋永楓、孔建強、辛小鵬、毛漢忠、陳金銓、丁旭東、初鵬、劉象拯、馬鑫磊。
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》特徵在於將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統，設計一套面向節點坐標一一對應的疊代方法，通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應力。首先採用Turbogrid軟體建立流體計算區域，將格線輸入到CFX計算該葉片周圍流場分布；採用Solidworks軟體建立固體計算區域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節點坐標映射到固體計算格線上計算，在ANSYS中計算得到的氣流彎應力，通過安全倍率校核准來判斷是否滿足要求。該發明所得到的一種基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法，能更真實反應葉片氣流彎應力分布情況，有助於最佳化葉片設計，減少葉片試驗費用，適合於大範圍推廣。
2021年6月24日，《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法
- 申請人：杭州汽輪機股份有限公司
- 發明人：隋永楓、孔建強、辛小鵬、毛漢忠、陳金銓、丁旭東、初鵬、劉象拯、馬鑫磊
- 申請號：2014103589766
- 申請日：2014年7月28日
- 公布號：CN104200003A
- 公布日：2014年12月10日
- 地址：浙江省杭州市江乾區石橋路357號
- 代理機構：杭州斯可睿專利事務所有限公司
- 代理人：周豪靖
- Int. Cl.：G06F17/50
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
2014年7月前，大流量變轉速工業汽輪機低壓級組末級葉片的設計一直是工業拖動領域的難點之一。在滿足高效率的設計要求下，要保證機組的安全運行，就要對葉片的安全與壽命進行全面設計。由於新開發的末級動葉為調頻葉片，其葉身較薄，氣流彎應力是設計時候重點關注的因素。大部分研究葉片氣流彎應力使用的常規的線性積分方法，不考慮耦合系統的影響，也不考慮離心預應力和葉片凸台倒角、葉根倒角的影響，因此在反應葉片氣流彎應力的分布情況時數據不夠準確真實。
發明內容
專利目的
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》的目的是為了解決上述技術的不足而提供一種能準確真實反應葉片氣流彎應力的分布情況的基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法。
技術方案
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》所設計的一種基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法，其特徵在於：該計算方法為：（1）將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統，設計一套面向節點坐標一一對應的疊代方法，並通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應力；（2）根據自鎖阻尼葉片的實際尺寸要求，採用Turbogrid軟體建立流體計算區域，將格線輸入到CFX計算該葉片周圍的流場分布；（3）採用Solidworks軟體建立固體計算區域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體計算格線上，進行流固耦合計算，並在ANSYS中計算得到帶預應力的氣流彎應力；（4）通過安全倍率校核准則，判斷氣流彎應力分布是否滿足設計要求，然後調整葉片葉型參數，循環計算得到所要設計的自鎖阻尼葉片。
作為優選，一種基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法，其特徵在於：該計算詳細步驟包括以下步驟：
步驟一，幾何物理模型的建立；根據初步設計的自鎖阻尼葉片參數，先採用Turbogrid軟體建立流體域，再採用Solidworks軟體建立固體域，並對葉片圍帶與凸台進行旋轉周期性分割。
步驟二，格線劃分；對流體域採用Turbogrid進行六面體結構化格線劃分，對固體域採用Ansysmeshing進行六面體四面體混合格線劃分。
步驟三，流場計算；將流體格線導入CFX，並設定以下邊界條件：動域採用多參考系方法處理，葉片採用周期性邊界，入口給定總壓、總溫、乾度，出口給定靜壓，流體採用IF97水蒸氣模型，設定湍流模型
，流體控制方程採用有限體積方法求解，選用二階空間離散格式。
步驟四，固體靜應力計算；將固體格線導入ANSYS，採用以下循環對稱周期邊界條件：固定葉根接觸面、給定轉速載荷，然後再採用隱式動力分析方法，控制方程求解採用有限元方法離散，計算離心力分布。
步驟五，流固耦合數值計算；在步驟四葉片承受離心預應力的基礎上，將流體計算的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體域的葉片表面上，採用疊代耦合分析方法，控制方程採用完全牛頓疊代方法，計算帶氣流彎應力的葉片應力分布。
步驟六，氣流彎應力後處理；將步驟四與步驟五計算得到的葉片應力分布輸出到Excel做差值運算，其結果即為葉片在承受預應力狀態下的氣流彎應力分布。
步驟七，安全倍率校核；根據葉片材料複合疲勞強度曲線，查到葉片在平均應力下的耐振強度，且安全倍率的計算公式為
，根據葉片振動強度安全準則評判葉片的性能；如果不滿足，則重新修改葉片型線參數，返回第一步，循環疊代，直到獲得滿足設計要求的自鎖阻尼葉片。
改善效果
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》與2014年7月前已有技術相比較能夠更真實的反應葉片氣流彎應力的分布情況，且該計算方法主要採用的是以許用應力為基準的靜強度準則和以安全倍率為基準的動強度準則，這樣可在葉片設計階段就獲得葉片運行中各種因素對於葉片壽命損耗的影響和葉片上各個部分壽命損耗的分布，從而找出葉片上的薄弱環節，有助於最佳化葉片設計並減少葉片設計階段的試驗費用，還可以定量分析影響葉片安全運行的各種因素的作用大小，從而不僅為汽輪機葉片設計提供了一個從壽命消耗方面評價葉片安全性的新評估方法，並且為在日益複雜的汽輪機運行方式方面進行葉片壽命管理提供了新思路和實用工具，因此適合於大範圍的推廣和使用。
附圖說明
圖1是《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》的技術路線圖。
圖2是該發明所用某自鎖阻尼葉片幾何模型。
圖3是該發明流體計算域幾何模型及流線圖。
圖4是該發明自鎖阻尼葉片離心力與氣流彎應力合力分布圖。
圖5是該發明自鎖阻尼葉片氣流彎應力合力分布雲圖。
圖6是該發明自鎖阻尼葉片沿葉高截面最大氣流彎應力分布圖。
圖7是該發明自鎖阻尼葉片安全倍率校核圖。
技術領域
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》涉及葉輪機械領域，尤其是一種基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法。
權利要求
《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》特徵在於：（1）將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統，設計一套面向節點坐標一一對應的疊代方法，並通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應力；（2）根據自鎖阻尼葉片的實際尺寸要求，採用Turbogrid軟體建立流體計算區域，將格線輸入到CFX計算該葉片周圍的流場分布；（3）採用Solidworks軟體建立固體計算區域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體計算格線上，進行流固耦合計算，並在ANSYS中計算得到帶預應力的氣流彎應力；（4）通過安全倍率校核准則，判斷氣流彎應力分布是否滿足設計要求，然後調整葉片葉型參數，循環計算得到所要設計的自鎖阻尼葉片；計算詳細步驟包括以下步驟：步驟一，幾何物理模型的建立；根據初步設計的自鎖阻尼葉片參數，先採用Turbogrid軟體建立流體域，再採用Solidworks軟體建立固體域，並對葉片圍帶與凸台進行旋轉周期性分割；步驟二，格線劃分；對流體域採用Turbogrid進行六面體結構化格線劃分，對固體域採用Ansysmeshing進行六面體四面體混合格線劃分；步驟三，流場計算；將流體格線導入CFX，並設定以下邊界條件：動域採用多參考系方法處理，葉片採用周期性邊界，入口給定總壓、總溫、乾度，出口給定靜壓，流體採用IF97水蒸氣模型，設定湍流模型，流體控制方程採用有限體積方法求解，選用二階空間離散格式；步驟四，固體靜應力計算；將固體格線導入ANSYS，採用以下循環對稱周期邊界條件：固定葉根接觸面、給定轉速載荷，然後再採用隱式動力分析方法，固體域控制方程求解採用有限元方法離散，計算離心力分布；步驟五，流固耦合數值計算；在步驟四葉片承受離心預應力的基礎上，將流體計算的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體域的葉片表面上，採用疊代耦合分析方法，控制方程採用完全牛頓疊代方法，計算帶氣流彎應力的葉片應力分布；步驟六，氣流彎應力後處理；將步驟四與步驟五計算得到的葉片應力分布輸出到Excel做差值運算，其結果即為葉片在承受預應力狀態下的氣流彎應力分布；步驟七，安全倍率校核；根據葉片材料複合疲勞強度曲線，查到葉片在平均應力下的耐振強度，且安全倍率的計算公式為，根據葉片振動強度安全準則評判葉片的性能是否滿足；如果不滿足，則重新修改葉片型線參數，返回第一步，循環疊代，直到獲得滿足設計要求的自鎖阻尼葉片。
實施方式
- 實施例1
如圖1-7所示，該實施例描述的一種基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法，其特徵在於：該計算方法為：（1）將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統，設計一套面向節點坐標一一對應的疊代方法，並通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應力；（2）根據自鎖阻尼葉片的實際尺寸要求，採用Turbogrid軟體建立流體計算區域，將格線輸入到CFX計算該葉片周圍的流場分布；（3）採用Solidworks軟體建立固體計算區域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體計算格線上，進行流固耦合計算，並在ANSYS中計算得到帶預應力的氣流彎應力；（4）通過安全倍率校核准則，判斷氣流彎應力分布是否滿足設計要求，然後調整葉片葉型參數，循環計算得到所要設計的自鎖阻尼葉片，該計算詳細步驟包括以下步驟：
步驟一，幾何物理模型的建立；根據初步設計的自鎖阻尼葉片參數，先採用Turbogrid軟體建立流體域，再採用Solidworks軟體建立固體域，並對葉片圍帶與凸台進行旋轉周期性分割；
步驟二，格線劃分；對流體域採用Turbogrid進行六面體結構化格線劃分，對固體域採用Ansysmeshing進行六面體四面體混合格線劃分；
步驟三，流場計算；將流體格線導入CFX，並設定以下邊界條件：動域採用多參考系方法處理，葉片採用周期性邊界，入口給定總壓、總溫、乾度，出口給定靜壓，流體採用IF97水蒸氣模型，設定湍流模型，流體控制方程採用有限體積方法求解，選用二階空間離散格式；
步驟四，固體靜應力計算；將固體格線導入ANSYS，採用以下循環對稱周期邊界條件：固定葉根接觸面、給定轉速載荷，然後再採用隱式動力分析方法，控制方程求解採用有限元方法離散，計算離心力分布；
步驟五，流固耦合數值計算；在步驟四葉片承受離心預應力的基礎上，將流體計算的葉片表面壓力通過節點坐標一一映射到固體域的葉片表面上，採用疊代耦合分析方法，控制方程採用完全牛頓疊代方法，計算帶氣流彎應力的葉片應力分布；
步驟六，氣流彎應力後處理；將步驟四與步驟五計算得到的葉片應力分布輸出到Excel做差值運算，其結果即為葉片在承受預應力狀態下的氣流彎應力分布；
步驟七，安全倍率校核；根據葉片材料複合疲勞強度曲線，查到葉片在平均應力下的耐振強度，且安全倍率的計算公式為，其中ｋ為安全係數，根據葉片振動強度安全準則評判葉片的性能；如果不滿足，則重新修改葉片型線參數，返回第一步，循環疊代，直到獲得滿足設計要求的自鎖阻尼葉片。
專利榮譽
2021年6月24日，《基於流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應力設計方法》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
