CN115688314A - 基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法及装置，所述方法包括：构建汽轮机叶片有限元仿真模型；根据所述汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值；根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据；判断所述第三叶片气动外形数据与所述第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内；若所述偏差值在预设偏差范围内，则输出所述第一叶片气动外形数据，以便于根据所述第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片。本申请具有提升对汽轮机叶片有限元仿真模型进行计算的效率和仿真准确率的效果。

Description

基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法及装置

技术领域

本申请涉及叶轮机械设计领域，尤其是涉及基于有限元分析的汽轮机叶片预扭设仿真设计方法及装置。

背景技术

动叶片是汽轮机的关键部件，主要承担着将蒸汽热能向机械能转化的任务。动叶片工作条件极为苛刻，不仅承受着高温、高压的蒸汽力作用，还承受着巨大的离心力、汽流激振力、腐蚀、振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用，其稳定、可靠的工作对机组的安全运行有着重要影响。

目前，汽轮机动叶片基本均采用有围带的设计形式，不仅可以降低叶顶的蒸汽泄漏，提升机组运行效率，还可以在动叶片安装完成后通过围带形成整圈连接，进而改善汽轮机叶片的振动特性，提高机组运行的可靠性。然而在实际运行中，仍有很多机组发生了叶片振动故障，造成了一定经济损失。由于通过围带连接可以影响叶片整圈的刚性，因而在叶型设计以及材料性能确定的情况下，可通过调整围带设计结构的方法来改善汽轮机叶片的振动特性，预扭设计便是其中之一。与此同时，传统算法难以准确计算叶片在安装和工作状态下的应力情况，特别是在叶根圆角应力集中区域，存在较大的安全风险。

为此，对于叶片预扭设计问题，有必要发展和完善一种可以真实模拟叶片扭转变形情况以及应力分布的设计方法，当前传统设计方法难以实现上述需求。

发明内容

本申请提供一种基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法及装置，通过构建汽轮机叶片有限元仿真模型，以实现汽轮机叶片的仿真设计。

采用如下技术方案，应用于用户设备中，所述方法包括：

构建汽轮机叶片有限元仿真模型；

根据所述汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值；

根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，其中，第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据，所述第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的所述第三叶片气动外形数据，所述第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据；

判断所述第三叶片气动外形数据与所述第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内；

若所述偏差值在预设偏差范围内，则输出所述第一叶片气动外形数据，以便于根据所述第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片。

通过采用上述技术方案，构建汽轮机叶片有限元仿真模型，从而在围带初始安装压力下计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值获得第二叶片气动外形数据，进而判断第二叶片气动外形数据与第三叶片气动外形数据是否在预设偏差范围内，若满足则输出第一叶片气动外形数据，根据第一叶片气动外形数据设计并制造汽轮机叶片。

可选的，获取第三叶片气动外形数据和叶片结构数据；

根据所述第三叶片气动外形数据和所述叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件；

当满足所述叶片预扭安装条件时，构建所述汽轮机叶片有限元仿真模型。

通过采用上述技术方案，根据第三叶片气动外形数据和叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件，能够有效提升构建汽轮机叶片有限元仿真模型的数据准确性。

可选的，所述叶片预扭安装条件包括判断所述叶片气动外形数据和所述叶片结构数据是否满足以下公式：

B·tanβ<z·tan(360°/n)-δ/cosβ

汽轮叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β、汽轮机叶片根部所在半径z、整圈汽轮机叶片数n以及汽轮机叶片中间体减薄量δ；

在所述叶片气动外形数据和所述叶片结构数据满足上述公式的基础上还需要满足叶片根部截面前缘距中间体边界距离和叶片根部截面尾缘距中间体边界距离均大于0.5mm，背弧距中间体边界距离大于1.5mm，所述叶片根部截面前缘距中间体边界距离、所述叶片根部截面尾缘距中间体边界距离以及所述背弧距中间体边界距离由第三叶片气动外形数据与叶片结构数据计算获得。

通过采用上述技术方案，根据叶片预扭安装条件判断叶片气动外形数据和叶片结构数据是否满足上述公式及叶片根部截面前缘与尾缘距中间体边界距离、背弧距中间体边界距离，能够快速获取叶片预扭安装条件是否成立，进而判断该叶片气动外形数据和叶片结构数据是否能满足构建仿真模型条件，能够有效提升叶片预扭安装条件的判断速度。

可选的，获取围带初始安装压力，并计算在所述围带初始安装压力下的叶片应力分布情况；

根据所述叶片应力分布情况获取叶片应力最大值，并将所述叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较；

若所述叶片应力最大值小于或等于所述叶片许用应力值，则对所述叶片应力最大值进行循环迭代计算，直到所述叶片应力最大值大于所述叶片许用应力值；

基于叶片应力与所述预扭数据设计值的对应关系，根据所述叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值；

根据所述预扭数据设计范围，确定叶片预扭数据设计数值。

通过采用上述技术方案，在围带初始安装压力下取得叶片应力最大值，并通过将叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较和循环迭代计算的方式获取大于叶片许用应力值的叶片应力最大值，通过这种计算方式以提高叶片应力最大值的准确性，并根据叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值以得到扭矩数据范围，确定叶片预扭数据设计数值，以此保证叶片许用应力值和扭矩数据范围落入选定数据的计算范围，进而提升算法的准确性。

可选的，所述确定叶片预扭数据设计数值包括判断所述叶片预扭数据设计数值是否满足以下公式：

汽轮机叶片中间体与轴线夹角β、围带节距T、围带法向过盈量τ以及汽轮机叶片扭转角θ。

通过采用上述技术方案，根据上述公式判断叶片预扭数据设计数值是否为可选值，能够快速判断叶片预扭数据设计数值是否满足要求，进而提升叶片预扭数据设计数值的选取速度。

可选的，根据所述第三叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到叶片变形数据；

根据所述叶片变形数据和所述第三叶片气动外形数据，反算得到所述第一叶片气动外形数据。

通过采用上述技术方案，根据叶片预扭数据设计数值计算汽轮机叶片的叶片变形数据，进一步通过叶片变形数据反算第一叶片气动外形数据，以此保证计算的准确性，能够有效降低反算带来的数据偏差度。

可选的，所述第三叶片气动外形数据包括叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，在给定叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径等数据时，可准确获取叶片气动外形数据。

在本申请的第二方面提供了基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计装置，所述仿真设计装置包括仿真模块和处理模块，其中，所述仿真模块用于构建汽轮机叶片有限元仿真模型；

所述处理模块用于根据所述汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，判断所述第三叶片气动外形数据与所述第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内，若所述偏差值在预设偏差范围内，则输出所述第一叶片气动外形数据，以便于根据所述第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片，其中，第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据，所述第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的所述第三叶片气动外形数据，所述第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据。

通过采用上述技术方案，使用仿真模块构建汽轮机叶片有限元仿真模型，进而通过汽轮机叶片有限元仿真模型完成对叶片预扭数据设计值、初始叶片气动外形数据以及叶片变形数据的计算和校验，基于汽轮机叶片有限元仿真模型的环境下完成对多种数据的计算，以提升对汽轮机叶片有限元仿真模型进行计算的效率和仿真准确率。

在本申请的第三方面提供了一种电子设备，包括处理器、存储器、用户接口及网络接口，所述存储器用于存储指令，所述用户接口和网络接口用于给其他设备通信，所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令。

通过采用上述技术方案，可以快速读取指令，提高电子设备对仿真设计装置对输入的汽轮机叶片各项数据的响应速度。

在本申请的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行实现基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法的步骤。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、构建汽轮机叶片有限元仿真模型，从而在围带初始安装压力下计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值获得第二叶片气动外形数据，进而判断第二叶片气动外形数据与第三叶片气动外形数据是否在预设偏差范围内，若满足则输出第一叶片气动外形数据，根据第一叶片气动外形数据设计并制造汽轮机叶片；

2、使用仿真模块构建构建汽轮机叶片有限元仿真模型，进而通过汽轮机叶片有限元仿真模型完成对叶片预扭数据设计值、第二叶片气动外形数据以及叶片变形数据的计算和校验，基于汽轮机叶片有限元仿真模型的环境下完成对多种数据的计算，以提升对汽轮机叶片有限元仿真模型进行计算的效率和仿真准确率。

附图说明

图1是本申请实施例的基于有限元分析的汽轮机叶片预扭设计方法的流程示意图；

图2是本申请实施例的叶片预扭数据设计值计算方法的流程示意图；

图3是本申请实施例的第一叶片气动外形数据计算方法的流程示意图；

图4是本申请实施例的仿真设计装置的结构示意图；

图5是本申请实施例的电子设备的结构示意图。

附图标记说明：1、仿真设计装置；11、获取模块；12、仿真模块；13、处理模块；2、电子设备；21、处理器；22、通信总线；23、用户接口；24、网络接口；25、存储器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个系统是指两个或两个以上的系统，多个屏幕终端是指两个或两个以上的屏幕终端。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

在对本发明实施例进行介绍之前，首先对本发明实施例中涉及的一些名词进行定义和说明。

循环迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令(或一定步骤)进行重复执行，在每次执行这组指令(或这些步骤)时，都从变量的原值推出它的一个新值。

以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法，如图1所示，该方法的步骤包括S101-S105。

步骤S101，构建汽轮机叶片有限元仿真模型。

在该步骤中，通过向有限元分析软件中输入叶片相关数据以构建汽轮机叶片有限元仿真模型，其中，有限元分析软件包括LUSAS、MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NXNastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics、FEPG等等，使用者可通过以上的一种或多种有限元分析软件完成对汽轮机叶片有限元仿真模型的构建以及检验。其中，相关数据包括叶片气动设计型线数据和叶片通流结构数据。

步骤S102，根据汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值。

在本步骤中，给定围带初始安装压力，在汽轮机叶片有限元仿真模型的基础上通过汽轮机叶片预扭数据计算程序完成对叶片预扭数据设计值的计算。

步骤S103，根据第一叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，其中，第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据，第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的第三叶片气动外形数据，第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据。

在本步骤中，在初始安装压力下，根据叶片预扭数据设计值反算第一叶片气动外形数据。其中，反算方法包括图表法和回归公式法、迭代法以及人工神经网络法。

步骤S104，判断第三叶片气动外形数据与第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内。

步骤S105，若偏差值在预设偏差范围内，则输出第一叶片气动外形数据，以便于根据第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片。

在本步骤中，若第二叶片气动外形数据与叶片气动外形数据的偏差值不在预设偏差范围内，则通过变形迭代计算完成对第二叶片气动外形数据进行校正，其中，变形迭代计算是由变形后数据反推变形前数据。若偏差值大于汽轮机叶片预扭数据计算程序默认的容差值，则可以对当前第二叶片气动外形数据再继续迭代计算，直到第二叶片气动外形数据小于容差值。

构建汽轮机叶片有限元仿真模型，从而在围带初始安装压力下计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值获得第二叶片气动外形数据，进而判断第二叶片气动外形数据与第三叶片气动外形数据是否在预设偏差范围内，若满足则输出第一叶片气动外形数据，根据第一叶片气动外形数据设计并制造汽轮机叶片。

在本实施例中，构建汽轮机的叶片简化有限元模型，具体包括：

获取第三叶片气动外形数据和叶片结构数据；

根据第三叶片气动外形数据和叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件；当满足叶片预扭安装条件时，构建汽轮机叶片有限元仿真模型。

根据第三叶片气动外形数据和叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件，能够有效提升构建汽轮机叶片有限元仿真模型的数据准确性。

在一个示例中，第三叶片气动外形数据为叶片气动设计型线数据文件，该文件中包括叶型前缘最小X坐标Xmin、叶型尾缘最大X坐标Xmax、前缘小圆半径RQ、尾缘小圆半径RW、前缘小圆圆心坐标(Xcq，Ycq)、尾缘小圆圆心坐标(Xcw，Ycw)、叶片数n、叶片截面所在半径数值Z以及叶片背弧X，Y坐标值，X(i)，Y(i)(i＝1，l，l为叶片背弧数据点数)，叶片结构数据包括汽轮机叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β、轮槽配合半径、叶底倾角、叶顶倾角、围带厚度、叶片根部截面前缘距中间体边界距离Dq、叶片根部截面尾缘距中间体边界距离Dw、背弧距中间体边界距离Db以及围带结构数据。其中，叶片根部截面前缘距中间体边界距离设定最小值为0.5mm，叶片根部截面尾缘距中间体边界距离设定最小值为0.5mm，背弧距中间体边界距离设定最小值为1.5mm。

在一个示例中，汽轮机叶片预扭数据计算程序根据叶片结构数据和叶片气动外形数据生成叶片建模所需数据文件，同时选择叶片与转子材料，输入工作温度以及气动力数据，并通过汽轮机叶片预扭数据计算程序调用有限元分析软件，自动读取上述数据文件，建立叶片简化实体模型。汽轮机叶片预扭数据计算程序自动划分叶片有限元网格，施加边界条件，以完成汽轮机叶片有限元仿真模型的构建。构建有限元模型和计算等过程都是自动进行的，相比传统有限元分析方法，极大简化了计算流程，节省仿真时间。

在一个示例中，有限元建模及计算过程通过APDL命令实现，APDL命令以加密的宏文件形式，通过有限元软件内置接口调用。

在本实施例中，叶片预扭安装条件包括判断叶片气动外形数据和叶片结构数据是否满足以下公式：

B·tanβ<z·tan(360°/n)-δ/cosβ

汽轮机叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β、汽轮机叶片根部所在半径z、整圈汽轮机叶片数n以及汽轮机叶片中间体减薄量δ；

在叶片气动外形数据和叶片结构数据满足上述公式的基础上还需要满足叶片根部截面前缘距中间体边界距离和叶片根部截面尾缘距中间体边界距离均大于0.5mm，背弧距中间体边界距离大于1.5mm，叶片根部截面前缘距中间体边界距离、叶片根部截面尾缘距中间体边界距离以及背弧距中间体边界距离由第三叶片气动外形数据与叶片结构数据计算获得。

其中，汽轮机叶片中间体宽度B满足：B≥ABS(X_max-X_min)，汽轮叶片中间体与轴线夹角β满足：

在一种示例中，当实际叶片满足叶片根部截面前缘距中间体边界距离Dq大于0.5mm、叶片根部截面尾缘距中间体边界距离Dw大于0.5mm以及背弧距中间体边界距离Db大于1.5mm，即认为完成叶片设计。

对应公式如下所示：

Dq＝(Ycq+0.5·Z·tan(360°/n)-ABS(Xcq)*tanβ)·cosβ-Rq

Dw＝(Xcw·tanβ-(ABS(Ycw)-0.5·Z·tan(360°/n)))·cosβ-Rw

Db＝min((0.5·tan(360°/n)-X(i)·tanβ-Y(i))·cosβ，i＝1，l)

根据叶片预扭安装条件判断叶片气动外形数据和叶片结构数据是否满足上述公式，能够快速获取叶片预扭安装条件是否成立，进而判断该叶片气动外形数据和叶片结构数据是否能满足构建仿真模型条件，能够有效提升叶片预扭安装条件的判断速度。

在一种示例中，根据汽轮机叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β以及汽轮机叶片根部所在半径z计算形成叶片根部截面，将实际叶片根部截面与初始气动外形数据形成的初始叶片根部截面进行比较，若实际叶片根部截面能够完全覆盖初始叶片根部截面，且满足上述公式，则完成叶片设计；若实际叶片根部截面无法完全包裹初始叶片根部截面，则需调整汽轮机叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β以及叶片数n直到满足上述条件。

在一个示例中，汽轮机叶片预扭数据计算程序根据叶片气动外形数据计算汽轮叶片中间体与轴线的最小夹角β，并调整汽轮机叶片中间体宽度B和汽轮机叶片中间体与轴线夹角β，使得叶片气动外形数据和叶片结构数据满足上述公式。

在本实施例中，如图2所示，叶片预扭数据设计值计算方法的步骤包括S201-S205，步骤S201，获取围带初始安装压力，并计算在围带初始安装压力下的叶片应力分布情况。

在本步骤中，围带初始安装压力为10MPa，10MPa为汽轮机叶片预扭数据计算程序的初始默认数值，如有需求也可以将带初始安装压力更改为其他数值。

步骤S202，根据叶片应力分布情况获取叶片应力最大值，并将叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较。

步骤S203，若叶片应力最大值小于或等于叶片许用应力值，则对叶片应力最大值进行循环迭代计算，直到叶片应力最大值大于叶片许用应力值。

步骤S204，基于叶片应力与预扭数据设计值的对应关系，根据叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值以得到扭矩数据范围。

在本步骤中，叶片围带所需最小安装压力为叶片在工作状态变形后，围带接触应力刚好为0时所对应的初始安装压力。

步骤S205，根据预扭数据设计范围，确定叶片预扭数据设计数值。

在围带初始安装压力下取得叶片应力最大值，并通过将叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较和循环迭代计算的方式获取大于叶片许用应力值的叶片应力最大值，通过这种计算方式以提高叶片应力最大值的准确性，并根据叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值以得到扭矩数据范围，确定叶片预扭数据设计数值，以此保证叶片许用应力值和扭矩数据范围落入选定数据的计算范围，进而提升算法的准确性。

其中，叶片许用应力值为应力的最大值，即为应力阈值。

在一个示例中，叶片预扭数据设计数值为围带法向过盈量τ和汽轮机叶片扭转角θ，叶片等效抗扭刚度计算公式为：

其中，M为叶片所受扭矩，L为叶片高度，U为叶片在扭矩作用下的应变能。

在本实施例中，确定叶片预扭数据设计数值包括判断片预扭数据设计数值是否满足以下公式：

汽轮机叶片中间体与轴线夹角β、围带节距T、围带法向过盈量τ以及汽轮机叶片扭转角θ。

根据上述公式判断叶片预扭数据设计数值是否为可选值，能够快速判断叶片预扭数据设计数值是否满足要求，进而提升叶片预扭数据设计数值的选取速度。

在本实施例中，参考图3，第一叶片气动外形计算方法的步骤包括S301-S302，步骤S301，根据第三叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到叶片变形数据。

在本步骤中，通过有限元分析软件计算叶片在叶片预扭数据设计数值下的安装变形数据和工作状态变形数据。

步骤S302，根据叶片变形数据和第三叶片气动外形数据，反算得到第一叶片气动外形数据。

在本步骤中，有限元分析软件根据计算得到的叶片变形数据，其中，叶片变形数据包括安装变形数据和工作状态变形数据，反算变形前的第一叶片气动外形数据，并以反算得到的第一叶片气动外形数据为基础，计算叶片在设计数据下的安装变形与工作状态变形。

根据叶片预扭数据设计数值计算汽轮机叶片的叶片变形数据，进一步通过叶片变形数据反算第一叶片气动外形数据，以此保证计算的准确性，能够有效降低反算带来的数据偏差度。

在本实施例中，第三叶片气动外形数据包括叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径中的一种或多种。

在给定叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径等数据时，可准确获取叶片气动外形数据。

在一个示例中，以反算得到的第一叶片气动外形数据为基础，计算叶片在叶片预扭数据设计数值下的安装变形与工作状态变形，形成第二叶片气动外形数据，校验变形后叶片气动外形数据与第三叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内，此处预设偏差范围为通过有限元分析软件自行选取的设偏差范围。其中，叶片状态数据为叶片预扭安装后的变形数据、叶片加工状态的气动外形数据以及工作状态应力数据。

基于上述方法，本申请实施例公开一种基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计装置，参考图4，仿真设计装置1包括获取模块11、仿真模块12以及处理模块13，其中，仿真模块12用于构建汽轮机叶片有限元仿真模型；

处理模块13用于根据汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，判断第三叶片气动外形数据与第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内，若偏差值在预设偏差范围内，则输出第一叶片气动外形数据，以便于根据第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片，其中，第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据，第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的第三叶片气动外形数据，第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据。

在一个示例中，获取模块11用于获取第三叶片气动外形数据和叶片结构数据；处理模块13用于根据第三叶片气动外形数据和叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件；当满足叶片预扭安装条件时，仿真模块12构建汽轮机叶片有限元仿真模型。

在一个示例中，叶片预扭安装条件包括判断叶片气动外形数据和叶片结构数据是否满足以下公式：

B·tanβ<z·tan(360°/n)-δ/cosβ

汽轮机叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β、汽轮机叶片根部所在半径z、整圈汽轮机叶片数n以及汽轮机叶片中间体减薄量δ；

在叶片气动外形数据和叶片结构数据满足上述公式的基础上还需要满足叶片根部截面前缘距中间体边界距离和叶片根部截面尾缘距中间体边界距离均大于0.5mm，背弧距中间体边界距离大于1.5mm，叶片根部截面前缘距中间体边界距离、叶片根部截面尾缘距中间体边界距离以及背弧距中间体边界距离由第三叶片气动外形数据与叶片结构数据计算获得。

在一个示例中，获取模块11用于获取围带初始安装压力，处理模块13用于计算在围带初始安装压力下的叶片应力分布情况；获取模块11用于根据叶片应力分布情况获取叶片应力最大值，处理模块13用于将叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较；若叶片应力最大值小于或等于叶片许用应力值，则对叶片应力最大值进行循环迭代计算，直到叶片应力最大值大于叶片许用应力值；基于叶片应力与预扭数据设计值的对应关系，根据叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值；根据预扭数据设计范围，确定叶片预扭数据设计数值。

在一个示例中，确定叶片预扭数据设计数值包括判断叶片预扭数据设计数值是否满足以下公式：

汽轮机叶片中间体与轴线夹角β、围带节距T、围带法向过盈量τ以及汽轮机叶片扭转角θ。

在一个示例中，处理模块13用于根据第三叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到叶片变形数据；根据叶片变形数据和第三叶片气动外形数据，反算得到第一叶片气动外形数据。

在一个示例中，第三叶片气动外形数据包括叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径中的一种或多种。

请参见图5，为本申请实施例提供了一种电子设备的结构示意图。如图5所示，电子设备2可以包括：至少一个处理器21，至少一个网络接口24，用户接口23，存储器25，至少一个通信总线22。

其中，通信总线22用于实现这些组件之间的连接通信。

其中，用户接口23可以包括显示屏(Display)、摄像头(Camera)，可选用户接口23还可以包括标准的有线接口、无线接口。

其中，网络接口24可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。

其中，处理器21可以包括一个或者多个处理核心。处理器21利用各种接口和线路连接整个服务器内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器25内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器25内的数据，执行服务器的各种功能和处理数据。可选的，处理器21可以采用数字信号处理(DigitalSignalProcessing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)、可编程逻辑阵列(ProgrammableLogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器21可集成中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)、图像处理器(GraphicsProcessingUnit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器21中，单独通过一块芯片进行实现。

其中，存储器25可以包括随机存储器(RandomAccessMemory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-OnlyMemory)。可选的，该存储器25包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitorycomputer-readablestoragemedium)。存储器25可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器25可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及的数据等。存储器25可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器21的存储装置。如图5所示，作为一种计算机存储介质的存储器25中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法的应用程序。

在图5所示的电子设备2中，用户接口23主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器21可以用于调用存储器25中存储基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法的应用程序，当由一个或多个处理器执行时，使得电子设备执行如上述实施例中一个或多个方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有指令。当由一个或多个处理器执行时，使得计算机执行如实上述施例中一个或多个方法。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必需的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置，可通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其他的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践真理的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术。

Claims (10)

1.基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计方法，其特征在于，应用于用户设备中，所述方法包括：

构建汽轮机叶片有限元仿真模型；

根据所述汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值；

根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，其中，所述第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的第三叶片气动外形数据，所述第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据，所述第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据；

判断所述第三叶片气动外形数据与所述第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内；

若所述偏差值在预设偏差范围内，则输出所述第一叶片气动外形数据，以便于根据所述第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建汽轮机叶片有限元仿真模型，具体包括：

获取第三叶片气动外形数据和叶片结构数据；

根据所述第三叶片气动外形数据和所述叶片结构数据判断叶片安装条件是否满足叶片预扭安装条件；

当满足所述叶片预扭安装条件时，构建所述汽轮机叶片有限元仿真模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述叶片预扭安装条件包括判断所述叶片气动外形数据和所述叶片结构数据是否满足以下公式：

B·tanβ<z·tan(360°/n)-δ/cosβ

汽轮叶片中间体宽度B、汽轮叶片中间体与轴线夹角β、汽轮机叶片根部所在半径z、整圈汽轮机叶片数n以及汽轮机叶片中间体减薄量δ；

在所述叶片气动外形数据和所述叶片结构数据满足上述公式的基础上还需要满足叶片根部截面前缘距中间体边界距离和叶片根部截面尾缘距中间体边界距离均大于0.5mm，背弧距中间体边界距离大于1.5mm，所述叶片根部截面前缘距中间体边界距离、所述叶片根部截面尾缘距中间体边界距离以及所述背弧距中间体边界距离由第三叶片气动外形数据与叶片结构数据计算获得。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值，具体包括：

获取围带初始安装压力，并计算在所述围带初始安装压力下的叶片应力分布情况；

根据所述叶片应力分布情况获取叶片应力最大值，并将所述叶片应力最大值与叶片许用应力值进行比较；

若所述叶片应力最大值小于或等于所述叶片许用应力值，则对所述叶片应力最大值进行循环迭代计算，直到所述叶片应力最大值大于所述叶片许用应力值；

基于叶片应力与所述预扭数据设计值的对应关系，根据所述叶片应力最大值确定预扭数据设计范围的上限值，根据叶片围带所需最小安装压力确定预扭设计范围的下限值；

根据所述预扭数据设计范围，确定叶片预扭数据设计数值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定叶片预扭数据设计数值包括判断所述叶片预扭数据设计数值是否满足以下公式：

汽轮机叶片中间体与轴线夹角β、围带节距T、围带法向过盈量τ以及汽轮机叶片扭转角θ。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据之前，还包括：

根据所述第三叶片气动外形数据和叶片预扭数据设计值，计算得到叶片变形数据；

根据所述叶片变形数据和所述第三叶片气动外形数据，反算得到所述第一叶片气动外形数据。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三叶片气动外形数据包括叶型前缘数据、叶型尾缘数据、叶型内背弧数据、叶片数以及叶片截面半径中的一种或多种。

8.基于有限元分析的汽轮机叶片预扭仿真设计装置(1)，其特征在于，所述仿真设计装置包括仿真模块(12)和处理模块(13)，其中，

所述仿真模块(12)用于构建汽轮机叶片有限元仿真模型；

所述处理模块(13)用于根据所述汽轮机叶片有限元仿真模型在围带初始安装压力下的数据，计算叶片预扭数据设计值，根据第一叶片气动外形数据和所述叶片预扭数据设计值，计算得到第二叶片气动外形数据，判断所述第三叶片气动外形数据与所述第二叶片气动外形数据的偏差值是否在预设偏差范围内，若所述偏差值在预设偏差范围内，则输出所述第一叶片气动外形数据，以便于根据所述第一叶片气动外形数据制造汽轮机叶片，其中，第三叶片气动外形数据为初始叶片气动外形数据，所述第一叶片气动外形数据为处于安装状态下的所述第三叶片气动外形数据，所述第二叶片气动外形数据为工作状态叶片气动外形数据。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器(21)、存储器(25)、用户接口(23)及网络接口(24)，所述存储器(25)用于存储指令，所述用户接口(23)和网络接口(24)用于给其他设备通信，所述处理器(21)用于执行所述存储器(25)中存储的指令，以使所述电子设备(2)执行如权利要求1-7任意一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的方法的步骤。

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