[发明专利]一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法

权利要求书

1.一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取透平机械运行时的现场数据；

2)基于透平机械运行时的现场数据模拟透平机械实际服役环境下的叶片材料加速冲蚀试验，建立透平机械材料冲蚀率模型及粒子反弹模型；

3)建立透平机械流道气固两相流数值模拟和冲蚀预测方法；

4)搭建透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化平台，实现叶片流道结构的抗颗粒冲蚀自动优化；

步骤3)中，在透平机械流道气固两相流数值模拟前处理中，根据透平机械运行时的现场数据设定流道进口的总压、总温、颗粒尺寸分布、颗粒浓度及空间分布和流道出口的气流质量流量或静压条件，湍流模型采用双方程RNG k-ε模型，连续相与离散相采用单相耦合模型；

步骤3)在具体操作时，先开展透平机械单相气相流场计算，再采用拉格朗日粒子追踪法耦合材料冲蚀率模型及粒子反弹模型，迭代计算颗粒在透平机械流道内的运动轨迹和冲蚀率分布；

在透平机械流道气固两相流数值模拟后处理中，查看透平机械叶栅流道冲蚀破坏特征和冲蚀分布，并将透平机械叶栅流道冲蚀破坏特征和冲蚀分布与透平机械运行中所获得的透平机械叶片流道冲蚀形貌进行比较，当两者存在差异时，则通过调整数值模拟前处理中离散相颗粒阻力模型及颗粒形状因子，使两者相吻合。

2.根据权利要求1所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，步骤1)中透平机械运行时的现场数据包括透平机械典型运行工况参数、进入透平机械流道的颗粒物参数、运行预设周期后透平机械叶片流道的冲蚀形貌及透平机械叶片的材料参数：其中，透平机械典型运行工况参数包括透平进口气流流量、压力及温度和透平出口气流流量、压力及温度；运行预设周期后透平机械叶片流道的冲蚀形貌包括叶片流道中冲蚀缺口的位置和形貌、叶片的冲蚀失重量及叶片表面的粗糙度；透平机械叶片的材料参数包括叶片材料名称及材料性能参数。

3.根据权利要求2所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，基于透平机械运行时的现场数据模拟透平机械实际服役环境下的叶片材料加速冲蚀试验，建立透平机械材料冲蚀率模型和粒子反弹模型，在此过程中，保证模化加速试验中颗粒-靶材冲蚀系统、冲蚀速度、撞击角度及气流温度参数与实际透平服役环境下的参数一致，且叶片材料加速冲蚀试验中颗粒浓度增大对冲蚀效率无影响。

4.根据权利要求3所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，基于透平机械运行时的现场数据模拟透平机械实际服役环境下的叶片材料加速冲蚀试验之前，在叶片材料加速冲蚀实验工况标定过程中，采用PIV或高速摄影对不同气流速度、入射角度及气流温度下颗粒撞击及反弹运动轨迹进行追踪，确定不同气流温度及入射角度下的粒子速度值。

5.根据权利要求4所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，步骤2)中，依次进行设定透平机械叶片材料、实验颗粒、不同颗粒速度、不同入射角度及不同燃气温度下的加速冲蚀实验，获得不同工况下材料的稳态冲蚀率。

6.根据权利要求5所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，步骤2)中，对不同工况下叶片材料的稳态冲蚀率和实验参数进行多元最小二乘拟合，确定温度函数、粒子撞击角度函数以及速度指数函数，以建立透平叶片材料冲蚀率模型。

7.根据权利要求6所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，步骤2)中，采用粒子入射和反弹信息分离统计的方法，对不同加速冲蚀实验标定工况下获得的粒子撞击、反弹运动轨迹进行图像处理，对不同入射角度实验工况下粒子速度恢复系数进行拟合，最终建立粒子速度恢复系数与粒子入射角度之间的函数关系式。

8.根据权利要求1所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化平台中的目标函数为min{总压损失系数}和min{叶栅局部冲蚀失重}，对压气机，叶栅局部冲蚀失重为动叶50％叶高以上的冲蚀失重量；对透平，叶栅局部冲蚀失重为静叶尾缘70％～100％弦长部分的冲蚀失重量。

9.根据权利要求8所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，其特征在于，透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化平台为基于ANSYS Workbench设计平台，采用ANSYSBladeModeler进行叶片型线参数化处理，采用TurboGrid进行叶片流道网格划分，采用ANSYS CFX进行叶栅流道气固两相流场计算及后处理，采用Static Structural、Modal模块计算透平机械叶片强度和振动特性，采用Parameter Set对设计变量、目标函数及约束条件进行管理，采用Design Xplorer模块进行多目标遗传算法优化，以实现抗冲蚀叶栅流道结构快速自动优化。