CN111143982A - 一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，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，该方法能够实现对叶片流道结构的抗颗粒冲蚀自动优化，同时能够实现对透平机械叶栅流道内颗粒运动和冲蚀分布的准确预测。

Description

一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，涉及一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法。

背景技术

透平机械是具有叶片的动力式流体机械，包括轴流或径流式泵、风机、压气机、汽轮机、燃气轮机、风力机等，广泛应用于能源、电力、冶金和化工等领域。在运行过程中，透平机械流道不可避免地遭受着微细粉尘、灰尘颗粒的撞击和磨损，导致流道壁面粗糙、叶片形状变化，严重时还将导致透平机械设备振动、叶片断裂、飞车等恶性事故，严重影响透平机械的安全高效运行。

针对透平机械叶片流道的冲蚀破坏，目前最常用的方法是在流道表面喷涂强化涂层。当前大多研究结果均表明，强化涂层可以极大提高叶片基材的抗磨损性能，实验环境下强化涂层的冲蚀率仅为相同冲蚀条件下叶片基材的几分之一到几十分之一。但是研究同样发现，强化涂层的抗冲蚀性能受到试验条件(设备运行环境条件)、颗粒参数和涂层工艺的显著影响。加之我国当前在抗冲蚀涂层领域存在机理研究不深入、涂层设计以及考核体系不完善等问题，导致强化涂层在实际服役过程中的抗冲蚀性能并未充分发挥。目前单独依靠强化涂层还无法完全解决透平机械流道的颗粒冲蚀破坏严峻状况。

随着计算机辅助技术的发展，通过叶栅型线和流道结构优化来降低固粒的冲蚀强度成为减轻透平机械叶栅流道冲蚀状况的主要思路。Mazur Z、Dai LP、Wang SS和Cai LX等分别探索了汽轮机不同叶栅流道结构的抗冲蚀性能，指出了影响叶栅冲蚀破坏的关键因素，为汽轮机叶栅流道抗冲蚀优化指明了方向。Wen SP通过优化轴流风机叶片倾掠角度，在保持风机气动效率的同时减轻了叶片的平均冲蚀率。总结文献发现，目前专门针对颗粒冲蚀破坏而开展透平机械叶栅型线和流道结构优化方法的研究还很少，快速合理的叶栅型线和流道结构抗冲蚀优化方法也尚未建立，无法有效指导新机组研发和旧机组改造过程中透平机械叶栅型线优化改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法，该方法能够实现对叶片流道结构的抗颗粒冲蚀自动优化，同时能够实现对透平机械叶栅流道内颗粒运动和冲蚀分布的准确预测。

为达到上述目的，本发明所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法包括以下步骤：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ANSYS BladeModeler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。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法在具体操作时，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，实现对透平机械叶栅流道内颗粒运动和冲蚀分布的准确预测。在此基础上，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，可为新机组研发和旧机组改造过程中叶栅型线优化改进提供有效指导，具有良好的社会经济效益。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中步骤2)的流程图；

图3为颗粒撞击-反弹过程中颗粒速度场的示意图；

图4为透平机械叶片流道气固两相流场及叶片冲蚀过程模拟的流程图；

图5为透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的透平机械叶片流道结构抗颗粒冲蚀优化方法包括以下步骤：

S1，获取透平机械运行时的现场数据；

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。

S2，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，参考图2，具体包括以下步骤：

Sa1，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；

Sa2，进行在叶片材料加速冲蚀实验工况的标定，具体的，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；

Sa3，加速冲蚀实验过程，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；

Sa4，获得不同工况下材料的稳态冲蚀率。

为便于在CFD数值模拟中应用，同时提高模型的拟合精度，本发明中透平机械叶片材料冲蚀率模型的表达式为：ε_m＝A_T(T)F(β)V^n(β)；

Sa5，对不同工况下叶片材料(或涂层)的稳态冲蚀率ε_m和实验参数进行多元最小二乘拟合，确定温度函数A_T(T)、粒子撞击角度函数F(β)以及速度指数函数n(β)，以建立透平叶片材料冲蚀率模型。

同样地，粒子反弹模型通常采用粒子切向速度恢复系数e_T(β)和法向速度恢复系数e_N(β)来表示，其中，

其中，V_1T和V_1N分别为颗粒入射速度的切向和法向分量，V_2T和V_2N分别为颗粒反弹速度的切向和法向分量，β是颗粒入射角。

Sa6，粒子反弹特性实验结果，获得不同工况下下粒子撞击-反弹速度和角度信息。

Sa7，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函数关系式。如图3所示，1为加速喷嘴，2为粒子入射速度场数据提取区，3为实验靶材，4为粒子反弹速度场数据提取区。

S3，建立透平机械流道气固两相流数值模拟和冲蚀预测方法，参考图4，具体包括以下步骤：

Sb1，建立与实际服役透平机械一致的叶栅流道模型，并进行网格划分。按ANSYSCFX软件格式要求，将步骤2)建立的材料的冲蚀率模型和粒子反弹模型写入Fortran程序；

Sb2，在透平机械流道气固两相流数值模拟(CFX-Pre)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；

Sb3，CFX-Pre前处理边界条件设置完成后，在Particle User Routine模式下设置对材料的冲蚀率模型和粒子反弹模型Fortran程序文件的调用，采用cfx5mkext命令对Fortran程序进行编译链接。

Sb4，CFX-Solver开始计算透平机械单相气相流场，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；

Sb5，CFX-Post数值模拟结果中，查看透平机械叶栅流道冲蚀破坏特征、冲蚀分布、颗粒的冲蚀机制(直接撞击、反弹撞击、小角度切削、塑性变形挤压)，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，实现对透平机械叶栅流道的颗粒冲蚀分布的精确预测。

S4，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。

透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化平台中的目标函数为minζ_p，minε_ml，其中，ζ_p为透平机械叶栅流道总压损失系数，ε_ml为透平机械叶栅局部失重，对压气机而言，ε_ml为动叶50％叶高以上的冲蚀失重量；对透平而言，ε_ml为静叶尾缘70％～100％弦长部分的冲蚀失重量。

约束条件：质量流量、压比(压气机)、裕度SM(压气机)、叶片动频、叶片强度安全系数及叶片几何结构参数。

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，实现叶片三维参数化造型、参数管理、网格生成、CFD流场计算、FEM强度分析，遗传算法寻优等各模块间数据传递，完成了透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化设计平台搭建。

设计平台中，采用ANSYS BladeModeler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。

在Parameter Set中对设计变量、目标函数和约束条件进行综合管理，采用DesignXplorer模块进行多目标遗传算法优化，获得优化结果。

如图5，通过各模块间的连接，实现叶片三维参数化造型、参数管理、网格生成、CFD流场计算、FEM强度分析，遗传算法寻优等模块间数据传递，完成了透平机械叶栅流道结构抗冲蚀优化设计平台搭建，实现了抗冲蚀叶栅流道结构快速自动优化。

Claims (10)

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。

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，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。

9.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。

10.根据权利要求9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。

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