[发明专利]一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法

摘要

本发明提供一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法，目的是为了解决目前燃气轮机风扇叶片反扭设计方法不完善的问题，该方法对热态叶型进行ANSYS离心力静态变形分析，预测冷态叶型，再对其进行ANSYS离心力静态变形分析，过渡虚热态叶型，修正固体和流体网格，气动力变形的流固耦合分析等步骤最终得到冷态叶型。本发明为实现各个气动工况下预测的热态叶型与叶片实际工作态叶型的一致性，对精确预估燃气轮机风扇叶片反扭过程的方法进行研究是十分重要的，尤其对于发展大涵道比的跨音速风扇有着重要的工程应用价值。

主权项

1.一种燃气轮机风扇叶片反扭过程的预估方法，其特征在于：该方法由以下步骤实现的：步骤一：以设计时叶片几何数据为原始热态叶型，叶片材料为设计时选取的材料，获取弹性常数，泊松比性能参数，以设计点的气动工况为工作点；步骤二：根据原始设计工况下热态叶片几何型值，构建风扇叶片的几何模型；步骤三：将风扇叶片进行网格划分，并结合设计时给定的材料性能参数，构建风扇叶片的有限元模型；步骤四：结合风扇叶片的设计点运行工况，即转速的设计要求，叶片位移约束边界条件，进行叶片在离心力作用下的静态变形分析，获得离心负载下叶片的静变形量；步骤五：使用原始热态叶型减去离心静变形得到固体域中的预测冷态叶型①：首先提取叶片各节点的几何坐标即Xs0，Ys0，Zs0，然后根据离心静变形计算结果，在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX1，UY1，UZ1，在步骤三中的风扇叶片几何外形的基础上实行叶片初步反扭计算，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为Xs0-UX1，Ys0-UY1，Zs0-UZ1，从而，确定风扇叶片的预测冷态几何形式；步骤六：将燃气轮机风扇叶片的几何模型导入计算流体力学分析软件的前处理器AUTOGRID，建立流体域，完成流体网格的划分；步骤七：使用原始热态叶型减去离心静变形得到流体域中的预测冷态叶型①：首先提取叶片各节点的几何坐标即Xf0，Yf0，Zf0，然后使用所述有限元模型得到节点上的静变形量UX1，UY1，UZ1插值到叶片的流体网格节点上以获得UXf1，UYf1，UZf1；然后，使用动网格技术，将基于原始叶型下的流体域网格节点以叶片固面上节点变形量为边界条件，设流体域其他边界变形为0，进行调整，并最大程度保证流体网格质量不变；步骤八：使用获得的冷态叶型，加载设计转速，材料性能参数，及叶片支撑边界条件构建新的风扇叶片有限元模型；进行叶片在离心力作用下的静态变形分析，获得离心负载下叶片的静变形量；在X、Y、Z轴方向上提取叶片各节点处变形值即UX2，UY2，UZ2；完成自由振动模态分析，求解动力学方程，其动力学方程如下：MU··+CU·+KU=0---(1)]]>其中M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，为加速度，为速度，U为位移矢量；提取风扇叶片多阶固有频率，以及各阶频率下有限元各节点的振动模态值；步骤九：在流体分析模型中，使用获得的冷态叶型加上离心静变形得到一个过渡虚热态叶型：首先提取叶片各节点的几何坐标即Xf，Yf，Zf，然后使用所述叶片有限元模型节点上的静变形量UX2，UY2，UZ2插值到叶片的流体网格节点上以获得UXf2，UYf2，UZf2；然后，使用动网格技术，以叶片固面上节点为移动边界，流体域其他边界变形为0，并最大程度保证流体网格质量不变，调整基于冷态叶型下的流体域网格节点；步骤十：结合风扇叶片的运行工况进行叶片流固耦合的瞬态响应分析，获得气动力作用下的叶片变形量；建立基于RANS方程的流体动力学非定常流动计算模型，如下式：其中Ω、是某一物理时刻的控制体的体积、表面面积；是守恒型流体状态向量，为对流通量，为粘性通量；是源项矢量，代表了外力和坐标系运动对守恒律的贡献；湍流流动的模拟采用了Sparlart-Allmas一方程湍流模型；求解RANS方程，从而获取流动速度及作用在风扇叶片上的气动力；将有限元模型上节点的模态值插值到叶片的流体网格点上；组集动力方程所需的风扇叶片固有模态集；使用获得的固有模态集解耦并求解动力学方程，得到广义坐标下N个线性无关的常微分方程组如下，其中N为叶片模态数，Mg{ζ··}+Cg{ζ·}+Kg{ζ}={Qg}---(12)]]>其中{ζ}为广义位移向量，是广义速度向量，是广义加速度向量，M_g、C_g和K_g分别是归一化后的广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和广义刚度矩阵，{Q_g}为广义气动力，采用多步龙格库塔积分法分别求解各阶模态方程（12），得到各个模态的广义位移，并线性叠加得到叶片的总物理位移；叶片在非定常气动力作用下的变形使用流固耦合方法计算：在每个物理时间步，耦合求解流体运动方程和叶片变形的控制方程，并互相作为边界条件进行物理量交换；首先流体域求解了时间精确的非定常雷诺平均N-S方程，以得到每一步由于叶片变形而引起的流场变化，计算气动力作用下叶片表面受到的广义力，并求解广义坐标的结构动力学方程，得到广义位移{ζ}，再利用模态叠加法得到叶片表面每一点的位移{x}；采用投影-形函数插值法处理流体域和固体域的信息交换，然后以叶片外其他边界静止或滑动为约束条件，采用动网格技术，移动流场中所有网格点，以满足给定的叶片变形条件；以变化后网格为初值，迭代求解N-S方程，得到下一时刻的流场；进行以上循环达到收敛性目标为止；通过模态叠加的结构非线性瞬态响应分析，得到稳态响应的值，即为非定常气动力引起的变形，此刻叶型为虚热态叶型；步骤十一：获取的虚热态叶型，判断其是否与原始热态叶型一致；即虚热态叶型与原始热态叶型之间的叶型差是否达到收敛要求，如果满足，则完成风扇叶片从热态叶型到冷态加工叶型的反扭设计；步骤十二：如果不满足叶型差收敛条件，则需要在步骤五预测的冷态加工叶型基础上实施叶型修正：首先提取步骤十一所述的虚热态叶片各节点的几何坐标即X，Y，Z，然后提取步骤六中原始叶型各流体节点的几何坐标即Xf0，Yf0，Zf0，获得叶片各节点叶型差即UX3、UY3、UZ3；在步骤八的有限元模型中提取叶片各节点的几何坐标即Xs，Ys，Zs，将叶片流体网格各节点上的叶型差即UX3、UY3、UZ3插值到叶片有限元模型各节点上以获得UXs3，UYs3，UZs3；在步骤八中的风扇叶片几何外形的基础上实行叶型修正，在X、Y、Z轴方向上使各节点坐标取值为Xs+UXs3，Ys+UYs3，Zs+UZs3，从而，确定新的风扇叶片几何形式，即预测冷态叶型②；步骤十三：在风扇叶片预测冷态叶型②的基础上，重复步骤八至步骤十二的过程，对新的风扇叶片几何外形实行叶型修正，直至满足最大位移值小于1×10^-2mm的叶型差收敛要求，完成风扇叶片从热态到冷态叶型的反扭设计，获取适合风扇叶片设计工况的冷态加工叶型。