基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，其特征在于将自锁阻尼叶片与周围流体作为一个三维耦合系统，设计一套面向节点坐标一一对应的迭代方法，通过耦合求解叶片变形和流场得到叶片的气流弯应力。首先采用Turbogrid软件建立流体计算区域，将网格输入到CFX计算该叶片周围流场分布；采用Solidworks软件建立固体计算区域，将CFX计算得到的叶片表面压力通过节点坐标映射到固体计算网格上计算，在ANSYS中计算得到的气流弯应力，通过安全倍率校核准来判断是否满足要求。本发明所得到的一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，能更真实反应叶片气流弯应力分布情况，有助于优化叶片设计，减少叶片试验费用，适合于大范围推广。
【专利说明】基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及叶轮机械领域，尤其是一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法。
【背景技术】
[0002]目前，大流量变转速工业汽轮机低压级组末级叶片的设计一直是工业拖动领域的难点之一。在满足高效率的设计要求下，要保证机组的安全运行，就要对叶片的安全与寿命进行全面设计。由于新开发的末级动叶为调频叶片，其叶身较薄，气流弯应力是设计时候重点关注的因素。目前，大部分研究叶片气流弯应力使用的常规的线性积分方法，不考虑耦合系统的影响，也不考虑离心预应力和叶片凸台倒角、叶根倒角的影响，因此在反应叶片气流弯应力的分布情况时数据不够准确真实。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种能准确真实反应叶片气流弯应力的分布情况的基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法。
[0004]为了达到上述目的，本发明所设计的一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，其特征在于:该计算方法为:(1)将自锁阻尼叶片与周围流体作为一个三维耦合系统，设计一套面向节点坐标一一对应的迭代方法，并通过耦合求解叶片变形和流场得到叶片的气流弯应力；(2)根据自锁阻尼叶片的实际尺寸要求，采用Turbogrid软件建立流体计算区域，将网格输入到CFX计算该叶片周围的流场分布；(3)采用Solidworks软件建立固体计算区域，将CFX计算得到的叶片表面压力通过节点坐标一一映射到固体计算网格上，进行流固耦合计算，并在ANSYS中计算得到带预应力的气流弯应力；(4)通过安全倍率校核准则，判断气流弯应力分布是否满足设计要求，然后调整叶片叶型参数，循环计算得到所要设计的自锁阻尼叶片。
[0005]作为优选，一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，其特征在于:该计算详细步骤包括以下步骤:
步骤一，几何物理模型的建立；根据初步设计的自锁阻尼叶片参数，先采用Turbogrid软件建立流体域，再采用Solidworks软件建立固体域,并对叶片围带与凸台进行旋转周期性分割。
[0006]步骤二，网格划分；对流体域采用Turbogrid进行六面体结构化网格划分,对固体域采用Ansysmeshing进行六面体四面体混合网格划分。
[0007]步骤三，流场计算；将流体网格导入CFX，并设置以下边界条件:动域采用多参考系方法处理，叶片采用周期性边界，入口给定总压、总温、干度，出口给定静压，流体采用IF97水蒸气模型，设置湍流模型
RNG κ-ε ,流体控制方程采用有限体积方法求解，选用二阶空间离散格式。
[0008]步骤四，固体静应力计算；将固体网格导入ANSYS，采用以下循环对称周期边界条件:固定叶根接触面、给定转速载荷，然后再采用隐式动力分析方法，控制方程求解采用有限元方法离散，计算离心力分布。
[0009]步骤五，流固耦合数值计算；在步骤四叶片承受离心预应力的基础上，将流体计算的叶片表面压力通过节点坐标一一映射到固体域的叶片表面上，采用迭代耦合分析方法，控制方程采用完全牛顿迭代方法，计算带气流弯应力的叶片应力分布。
[0010]步骤六，气流弯应力后处理；将步骤四与步骤五计算得到的叶片应力分布输出到Excel做差值运算，其结果即为叶片在承受预应力状态下的气流弯应力分布。
[0011]步骤七，安全倍率校核；根据叶片材料复合疲劳强度曲线，查到叶片在平均应力下的耐振强度，且安全倍率的计算公式为
【权利要求】
1.一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，其特征在于:(1)将自锁阻尼叶片与周围流体作为一个三维耦合系统，设计一套面向节点坐标一一对应的迭代方法，并通过耦合求解叶片变形和流场得到叶片的气流弯应力；(2)根据自锁阻尼叶片的实际尺寸要求，采用Turbogrid软件建立流体计算区域,将网格输入到CFX计算该叶片周围的流场分布；(3)采用Solidworks软件建立固体计算区域，将CFX计算得到的叶片表面压力通过节点坐标一一映射到固体计算网格上，进行流固耦合计算，并在ANSYS中计算得到带预应力的气流弯应力；(4)通过安全倍率校核准则，判断气流弯应力分布是否满足设计要求，然后调整叶片叶型参数，循环计算得到所要设计的自锁阻尼叶片。
2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，其特征在于:该计算详细步骤包括以下步骤: 步骤一，几何物理模型的建立；根据初步设计的自锁阻尼叶片参数，先采用Turbogrid软件建立流体域，再采用Solidworks软件建立固体域,并对叶片围带与凸台进行旋转周期性分割； 步骤二，网格划分；对流体域采用Turbogrid进行六面体结构化网格划分，对固体域采用Ansysmeshing进行六面体四面体混合网格划分； 步骤三，流场计算；将流体网格导入CFX，并设置以下边界条件:动域采用多参考系方法处理，叶片采用周期性边界，入口给定总压、总温、干度，出口给定静压，流体采用IF97水蒸气模型，设置湍流模型RNG it-流体控制方程采用有限体积方法求解，选用二阶空间离散格式； 步骤四，固体静应力计算；将固体网格导入ANSYS，采用以下循环对称周期边界条件:固定叶根接触面、给定转速载荷，然后再采用隐式动力分析方法，控制方程求解采用有限元方法离散，计算离心力分布； 步骤五，流固耦合数值计算；在步骤四叶片承受离心预应力的基础上，将流体计算的叶片表面压力通过节点坐标一一映射到固体域的叶片表面上，采用迭代耦合分析方法，控制方程采用完全牛顿迭代方法，计算带气流弯应力的叶片应力分布； 步骤六，气流弯应力后处理；将步骤四与步骤五计算得到的叶片应力分布输出到Excel做差值运算，其结果即为叶片在承受预应力状态下的气流弯应力分布； 步骤七，安全倍率校核；根据叶片材料复合疲劳强度曲线，查到叶片在平均应力下的耐振强度，且安全倍率的计算公式为
,根据叶片振动强度安全准则评判叶片的性能；如果不满足，则重新修改叶片型线参数，返回第一步，循环迭代，直到获得满足设计要求的自锁阻尼叶片。
【文档编号】G06F17/50GK104200003SQ201410358976
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】隋永枫, 孔建强, 辛小鹏, 毛汉忠, 陈金铨, 丁旭东, 初鹏, 刘象拯, 马鑫磊 申请人:杭州汽轮机股份有限公司