基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，其特征在于將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統(tǒng)，設(shè)計一套面向節(jié)點坐標(biāo)一一對應(yīng)的迭代方法，通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應(yīng)力。首先采用Turbogrid軟件建立流體計算區(qū)域，將網(wǎng)格輸入到CFX計算該葉片周圍流場分布；采用Solidworks軟件建立固體計算區(qū)域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節(jié)點坐標(biāo)映射到固體計算網(wǎng)格上計算，在ANSYS中計算得到的氣流彎應(yīng)力，通過安全倍率校核準(zhǔn)來判斷是否滿足要求。本發(fā)明所得到的一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，能更真實反應(yīng)葉片氣流彎應(yīng)力分布情況，有助于優(yōu)化葉片設(shè)計，減少葉片試驗費用，適合于大范圍推廣。
【專利說明】基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及葉輪機械領(lǐng)域，尤其是一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，大流量變轉(zhuǎn)速工業(yè)汽輪機低壓級組末級葉片的設(shè)計一直是工業(yè)拖動領(lǐng)域的難點之一。在滿足高效率的設(shè)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(shè)計。由于新開發(fā)的末級動葉為調(diào)頻葉片，其葉身較薄，氣流彎應(yīng)力是設(shè)計時候重點關(guān)注的因素。目前，大部分研究葉片氣流彎應(yīng)力使用的常規(guī)的線性積分方法，不考慮耦合系統(tǒng)的影響，也不考慮離心預(yù)應(yīng)力和葉片凸臺倒角、葉根倒角的影響，因此在反應(yīng)葉片氣流彎應(yīng)力的分布情況時數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確真實。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)的不足而提供一種能準(zhǔn)確真實反應(yīng)葉片氣流彎應(yīng)力的分布情況的基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，其特征在于: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(tǒng)，設(shè)計一套面向節(jié)點坐標(biāo)一一對應(yīng)的迭代方法，并通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應(yīng)力；(2)根據(jù)自鎖阻尼葉片的實際尺寸要求，采用Turbogrid軟件建立流體計算區(qū)域，將網(wǎng)格輸入到CFX計算該葉片周圍的流場分布；(3)采用Solidworks軟件建立固體計算區(qū)域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節(jié)點坐標(biāo)一一映射到固體計算網(wǎng)格上，進行流固耦合計算，并在ANSYS中計算得到帶預(yù)應(yīng)力的氣流彎應(yīng)力；(4)通過安全倍率校核準(zhǔn)則，判斷氣流彎應(yīng)力分布是否滿足設(shè)計要求，然后調(diào)整葉片葉型參數(shù)，循環(huán)計算得到所要設(shè)計的自鎖阻尼葉片。
[0005]作為優(yōu)選，一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，其特征在于: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(jù)初步設(shè)計的自鎖阻尼葉片參數(shù)，先采用Turbogrid軟件建立流體域，再采用Solidworks軟件建立固體域,并對葉片圍帶與凸臺進行旋轉(zhuǎn)周期性分割。
[0006]步驟二，網(wǎng)格劃分；對流體域采用Turbogrid進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,對固體域采用Ansysmeshing進行六面體四面體混合網(wǎng)格劃分。
[0007]步驟三，流場計算；將流體網(wǎng)格導(dǎo)入CFX，并設(shè)置以下邊界條件:動域采用多參考系方法處理，葉片采用周期性邊界，入口給定總壓、總溫、干度，出口給定靜壓，流體采用IF97水蒸氣模型，設(shè)置湍流模型
RNG κ-ε ,流體控制方程采用有限體積方法求解，選用二階空間離散格式。
[0008]步驟四，固體靜應(yīng)力計算；將固體網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS，采用以下循環(huán)對稱周期邊界條件:固定葉根接觸面、給定轉(zhuǎn)速載荷，然后再采用隱式動力分析方法，控制方程求解采用有限元方法離散，計算離心力分布。
[0009]步驟五，流固耦合數(shù)值計算；在步驟四葉片承受離心預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，將流體計算的葉片表面壓力通過節(jié)點坐標(biāo)一一映射到固體域的葉片表面上，采用迭代耦合分析方法，控制方程采用完全牛頓迭代方法，計算帶氣流彎應(yīng)力的葉片應(yīng)力分布。
[0010]步驟六，氣流彎應(yīng)力后處理；將步驟四與步驟五計算得到的葉片應(yīng)力分布輸出到Excel做差值運算，其結(jié)果即為葉片在承受預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的氣流彎應(yīng)力分布。
[0011]步驟七，安全倍率校核；根據(jù)葉片材料復(fù)合疲勞強度曲線，查到葉片在平均應(yīng)力下的耐振強度，且安全倍率的計算公式為

【權(quán)利要求】
1.一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，其特征在于:(1)將自鎖阻尼葉片與周圍流體作為一個三維耦合系統(tǒng)，設(shè)計一套面向節(jié)點坐標(biāo)一一對應(yīng)的迭代方法，并通過耦合求解葉片變形和流場得到葉片的氣流彎應(yīng)力；(2)根據(jù)自鎖阻尼葉片的實際尺寸要求，采用Turbogrid軟件建立流體計算區(qū)域,將網(wǎng)格輸入到CFX計算該葉片周圍的流場分布；(3)采用Solidworks軟件建立固體計算區(qū)域，將CFX計算得到的葉片表面壓力通過節(jié)點坐標(biāo)一一映射到固體計算網(wǎng)格上，進行流固耦合計算，并在ANSYS中計算得到帶預(yù)應(yīng)力的氣流彎應(yīng)力；(4)通過安全倍率校核準(zhǔn)則，判斷氣流彎應(yīng)力分布是否滿足設(shè)計要求，然后調(diào)整葉片葉型參數(shù)，循環(huán)計算得到所要設(shè)計的自鎖阻尼葉片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于流固耦合的自鎖阻尼葉片氣流彎應(yīng)力設(shè)計方法，其特征在于: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(jù)初步設(shè)計的自鎖阻尼葉片參數(shù)，先采用Turbogrid軟件建立流體域，再采用Solidworks軟件建立固體域,并對葉片圍帶與凸臺進行旋轉(zhuǎn)周期性分割； 步驟二，網(wǎng)格劃分；對流體域采用Turbogrid進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對固體域采用Ansysmeshing進行六面體四面體混合網(wǎng)格劃分； 步驟三，流場計算；將流體網(wǎng)格導(dǎo)入CFX，并設(shè)置以下邊界條件:動域采用多參考系方法處理，葉片采用周期性邊界，入口給定總壓、總溫、干度，出口給定靜壓，流體采用IF97水蒸氣模型，設(shè)置湍流模型RNG it-流體控制方程采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(yīng)力計算；將固體網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS，采用以下循環(huán)對稱周期邊界條件:固定葉根接觸面、給定轉(zhuǎn)速載荷，然后再采用隱式動力分析方法，控制方程求解采用有限元方法離散，計算離心力分布； 步驟五，流固耦合數(shù)值計算；在步驟四葉片承受離心預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，將流體計算的葉片表面壓力通過節(jié)點坐標(biāo)一一映射到固體域的葉片表面上，采用迭代耦合分析方法，控制方程采用完全牛頓迭代方法，計算帶氣流彎應(yīng)力的葉片應(yīng)力分布； 步驟六，氣流彎應(yīng)力后處理；將步驟四與步驟五計算得到的葉片應(yīng)力分布輸出到Excel做差值運算，其結(jié)果即為葉片在承受預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的氣流彎應(yīng)力分布； 步驟七，安全倍率校核；根據(jù)葉片材料復(fù)合疲勞強度曲線，查到葉片在平均應(yīng)力下的耐振強度，且安全倍率的計算公式為
,根據(jù)葉片振動強度安全準(zhǔn)則評判葉片的性能；如果不滿足，則重新修改葉片型線參數(shù)，返回第一步，循環(huán)迭代，直到獲得滿足設(shè)計要求的自鎖阻尼葉片。
【文檔編號】G06F17/50GK104200003SQ201410358976
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】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 申請人:杭州汽輪機股份有限公司