高壓渦輪葉片的案例
基于ANSYS Workbench的高壓渦輪葉片振動應力
葉片溫度場分布
高壓渦輪葉片模態
VKI 高壓渦輪葉片湍流隱式大渦模擬
1 問題描述和流動條件
對VKI高壓渦輪葉片[1]進行隱式大渦模擬（ILES）,文獻[2]中提供了大量的實驗數據。文獻[2]中MUR129的流動情況為沒有來流湍流。流動參數以SI為單位，雷諾數和馬赫數基于等熵出口邊界值：
l 進口總壓：1.849*105Pa
l 進口總溫：409K
l 出口靜壓：1.16487*105Pa
l 攻角：0
l 基于弦長和出口邊界值的雷諾數：1.16*106
l 等熵出口馬赫數：0.84
l 普朗特數：0.713
l 氣體常數：287.55J/(kg*K)
l 壁面溫度：300K
l 粘性系數符合薩瑟蘭定律
2 幾何和網格參數
l 葉片寬度是弦長的16.6%（0.0676m）；
l 粗網格具有169,750個六面體和278,425個棱柱體單元，其中沿葉片展向有35個單元，如圖1所示；
l 網格的平均y +值（來自p2模擬）：3.3；
l 通過將每個單元細分為8個更小的單元生成細網格。
圖1 非結構混合網格
3 計算結果
進行網格加密和變精度（p）研究以評估網格和階次的靈敏度和收斂性。圖2顯示了不同網格密度和求解階次下的紋影分布。這些紋影分布清晰地顯示了聲波、激波，尾跡結構和后緣附近的轉棙區。注意到粗網格上的p2模擬具有比細網格上的p1模擬更高的分辨率，表明p細化在解決非定常流動特征方面比網格細化更有效。也可以看出在粗網上轉棙區還沒有在p2和p3模擬之間完全收斂。粗網格上的p1模擬具有很早的轉棙位置，而細網格上的p1模擬具有很晚的轉棙位置，p2和p3模擬預測到的轉棙位置介于p1粗網格模擬和p2細網格模擬之間。
圖2 不同多項式次數和網格密度下紋影分布對比圖
圖3顯示了粗網格上不同階次計解結果的時間平均值。
展開 FGH97 合金高壓渦輪盤熱等靜壓成形技術研究
FGH97(FGH4097)合金為鎳基γ'相沉淀強化型粉末冶金高溫合金，基體為γ 相，是我國研制的新型粉末高溫合金，該合金在650 ～750℃溫度區間具有優異的綜合力學性能，廣泛應用于先進航空發動機的渦輪盤、篦齒盤等關鍵熱端部件的制造。
熱等靜壓(HIP-Hot Isostatic Pressing)工藝是一種以氮氣、氬氣等惰性氣體為傳壓介質，一定的溫度和壓力共同作用于密閉容器中的制品，對制品進行壓制燒結處理的技術。HIP 成形技術，是在冷等靜壓和熱壓技術基礎上發展起來的綜合工藝，最早開始用于難成形材料的制坯和擴散連接。但隨著HIP 設備和計算機技術的發展，HIP 在近凈成形難加工材料復雜零件方面的技術優勢和經濟優勢逐漸顯現了出來，成為當今世界工業發達國家研究的熱點。熱等靜壓技術早期主要用于核燃料的制備。國內導彈研究院的海泓分析了鈦合金粉末冶金技術的優點，并采用鈦合金粉末冶金技術成形出性能優越的空對空導彈伺服機構殼體。
本文研究的高壓渦輪盤是Ⅰ類轉動件(圖1)，材料為FGH97 合金，單級結構，高壓渦輪盤圓周上有90 個樅樹型榫槽，用于裝配高壓渦輪工作葉片，并通過鎖板固定，榫槽底部加工φ6.7mm 的斜孔，用于給高壓渦輪工作葉片提供冷氣。本文旨在采用熱等靜壓工藝，成形出尺寸和表面質量滿足加工要求、組織性能滿足盤件技術要求的粉末制件，實現FGH97合金盤件的研制。
圖1 高壓渦輪盤零件圖
高壓渦輪盤熱等靜壓成形工藝
高壓渦輪盤主要制備工藝流程為：真空感應冶煉母合金棒料→等離子旋轉電極法(PREP)制備粉末→粉末處理→粉末裝套→熱等靜壓成形(HIP)→機加工(去包套皮)→熱處理(固溶+時效)→理化檢驗(切除試樣環)。
展開 航空發動機用高溫合金的鑄造、鍛造工藝
航空發動機中，使用鑄件的零部件有渦輪葉片、風扇框架等，主要的制造工藝是：真空感應熔煉、鑄造、機加、精整。
從顯微組織結構上看，鑄件可分為3大類：
等軸晶鑄件，主要用于制造低壓渦輪零部件。工藝的特點是液態金屬的凝固速率只受限于膜殼的散熱能力。為了控制熱量損失的速率，膜殼通常都是絕熱的。所獲得的鑄件產品是多晶體結構，晶粒生長方向也是隨機的。
定向凝固，主要也是用于制造低壓渦輪零部件。基本原理是使用冷卻機構從一端吸收熱量，使得鑄件只沿著一個方向凝固。
單晶凝固是鑄造工藝的特殊應用，只用于承受最高溫度的應用，比如高壓渦輪葉片，燃燒室零部件等。其原理跟定向凝固相同，控制凝固溫度梯度；區別是單晶需要使用籽晶，使得液態金屬凝固時，能夠沿著擇優晶向生長，最終獲得只有一個晶粒的產品。當今世界上先進的發動機高壓渦輪葉片都是100%單晶。什么時候開始的呢？30年前！
單晶爐示意圖：
高溫合金由于其合金化元素超過10種以上，最常見的問題第一個就是偏析，所以，高溫合金必須通過均勻化熱處理消除偏析。當合金錠偏析嚴重無法消除時，可以使用粉末冶金技術，但缺點是成本較高。如下圖，單晶葉片配粉末盤。
鍛造工藝
航空發動機中，使用鍛件的零部件有盤、鼓筒軸、風扇和壓氣機葉片等，主要的制造工藝是：熔煉、轉坯、鍛造、機加、精整。
本文以盤類加工為例。高溫合金盤類零件通常在亞固溶或者過固溶條件下進行等溫鍛或者熱模鍛工藝。為了確保鍛件質量，要求每個零件必須用相同的工藝，并通過高靈敏度的超聲檢測方法進行探傷。
人們想盡各種方法去提高盤件的性能，其中有一個非常有意思的問題：能不能在盤的不同區域按照需要鍛造出不同的結構？（當然，回答這個問題之前，先要搞清楚，什么樣的結構對應于什么樣的性能。）
展開 
航空發動機取得核心突破 中國“心”展翅高飛
楊小君說，此次針對航空領域，項目組在國內率先利用超快激光極端制造技術攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復雜微結構制造難題，實現了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細冷加工”，解決了現有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷的問題，完成了國產發動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證，為國產大飛機發動機換上“中國心”打下了堅實基礎。同時，針對航天領域，攻克了50±2微米高品質鉆孔技術，將航天推進器流量控制板的控制精度提升三個數量級（由毫克/秒提升至微克/秒），減少燃料攜帶量約20%，并成功應用于世界首套在軌驗證的磁聚焦霍爾推進系統，促進了航天推進系統升級。
“超快激光極端智造技術是我國飛機發動機性能提升與發展的革命性技術，航空發動機渦輪葉片氣模孔是微米級，而且葉片中間是空心的，要求對壁不能損傷，我們通過超快激光微加工技術，突破了傳統制造方式加工葉片氣膜孔存在的重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷，解決了航空發動機在超高溫（1700℃）及超高壓等苛刻條件下，造成葉片易產生裂紋、蠕變、侵蝕甚至是斷裂等難題，實現對高壓渦輪葉片氣膜孔‘超精細冷加工’的重大突破，顯著提升了發動機壽命及推力，促使我國航空發動機設計、制造等進入了新的發展階段。”中科微精科技發展部的經理表示，超快激光因具有極短的作用時間和超強的峰值功率等特性，可將作用區域材料直接電離，實現無材料選擇的非熱熔性“冷加工”，獲得傳統工藝無法比擬的超精細、低損傷等加工優勢，已成為航空、航天、電子等領域極端制造的重要手段。
葉片研究與應用正逐步趕超
葉片無疑是航空發動機核心中的核心，突破葉片技術難關，成為航空發動機逆襲的關鍵。多年來，中國的航空材料人不僅實現了單晶葉片的技術突破，還打通了從基礎研究到應用技術研究，再到工程化研究，直至型號應用和型號保障的全流程科研工程系統。
展開 渦輪壓縮機轉子葉片和定子葉片的形狀優化
在渦輪發電機中，葉輪的形狀對發電機的效率至關重要，如何通過優化葉輪形狀獲得高發電效率是渦輪發電機設計中重要的步驟。modeFRONTIER通過集成轉子葉片，定子葉片的CFD分析來優化葉片的剖面，提高了發電機的效率。
渦輪壓縮機轉子葉片和定子葉片的形狀優化
在渦輪發電機中，葉輪的形狀對發電機的效率至關重要，如何通過優化葉輪形狀獲得高發電效率是渦輪發電機設計中重要的步驟。modeFRONTIER通過集成轉子葉片，定子葉片的CFD分析來優化葉片的剖面，提高了發電機的效率。
天下武功，唯快不破——我國實現航空發動機葉片超精細“冷加工”突破
渦輪是航空發動機中熱負荷和機械負荷最大的部件，其中渦輪葉片的工作環境尤為惡劣，在發動機循環中，承受著燃燒后的高溫高壓燃氣沖擊，其制造技術也被列為現代航空發動機的關鍵技術。發動機性能很大程度上取決于渦輪進口溫度的高低，而渦輪葉片材料的影響限制了其溫度的控制。
為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進而提高發動機的性能，采用氣膜冷卻技術具有其代表性，同時對氣膜孔加工技術提出了更高要求。
日前，在中國科學院召開的新聞發布會上獲悉，中國科學院西安光學精密機械研究所開發出國內最高單脈沖能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器，研制出系列化超快激光極端制造裝備，實現了航空發動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補了國內空白，達到了國際先進水平。
▲航空發動機。（資料圖）
在航空領域，航空發動機被譽為現代工業“皇冠上的明珠”，其制造水平代表著一個國家的科技、工業和國防實力。
當前，我國已啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，力爭突破“兩機”關鍵核心技術，推動“兩機”產品研制。然而，現有加工手段容易導致航空發動機關重件出現各種制造缺陷，嚴重影響了新一代航空發動機的研制和生產。在航天領域，衛星電推進器等關重件存在微米級加工精度、高表面質量、大幅曲面薄壁結構等極端制造瓶頸，極大影響了航天飛行器的性能、壽命及可靠性。
展開 GE加快燃氣輪機渦輪葉片修復，已完成了第2代葉片研制
而在完成該葉片故障是否會影響9FB和HA級燃機組件的根本原因分析之前，HA級重型燃機已經出貨。”
但GE公司拒絕提供有關2015年葉片斷裂或使用限制的更多詳細信息，并表示其中一些信息是專有的。
GE公司還告訴路透社：“我們正在執行我們為葉片問題制定的解決方案，來自客戶的反饋是積極的，他們繼續選擇HA級重型燃機，它仍然是當今世界發展最快的先進重型燃氣輪機機組。”
據一位知情人士透露，GE公司正在為大約50臺9FB和52臺HA重型燃機安裝新的葉片，低于它開始擔憂的130多臺的預計。
路透社此前報道稱，GE公司在2015年發現了一個氧化問題而不是破裂，并在德克薩斯州電廠事故之前就制定了修復方案。
不過縮減對最新HA級燃氣輪機的使用將減少相關電廠的收入和利潤。日本中部電力公司表示，去年10月，它有6臺機組受到了渦輪葉片問題的影響。該公司的一位發言人表示，它已經限制了HA燃氣輪機的使用時間，雖然帶來了一定的財務影響，但預計仍擁有“足夠的儲備能力來產生足夠的電力來滿足今年冬季的需求”。他還表示，預計維修工作將在今年2月底完成。總部位于美國的PSEG Power和Exelon拒絕評論限制使用將如何影響他們的。
GE繼續在大型發電廠的低迷市場上銷售著最新的HA級重型燃機，盡管在最近幾個季度，它已經落到了競爭對手三菱日立動力系統和西門子公司的后面，但GE已表示上個月又拿到了三臺大型燃機的訂單。
GE公司還表示這種葉片故障的“磨合問題”在新技術應用中并不少見，只需要“小幅調整”就能解決，而GE將撥出4.8億美元用于該葉片問題的維修和保修索賠。
GE電力管理人員MarcusScholz和Tom Dreisbach介紹了GE最新的燃氣輪機技術。
展開 amesim葉片泵仿真：高壓變量葉片泵的綜合仿真模型
今天我們聊聊變量葉片泵的Amesim仿真。
這篇文章有如下幾個重點內容：
1、用解析法和數值法描述了高壓變量葉片泵的幾何形狀，并考慮了不同的泄漏狀態。
2、同時基于Amesim的庫文件建立了仿真模型，對其關鍵性能參數進行了評價。
3、利用有限元分析確定了配流盤的變形量，以便于糾正當前的軸向間隙。
4、采用CFD方法對排量控制閥門的流量系數進行了計算分析。
5、通過實驗驗證了該模型的穩態特性和位移控制動力學特性。
對以上任意一點感興趣的都可以翻看原文“COMPREHENSIVE SIMULATION MODEL OF A HIGH PRESSURE VARIABLE DISPLACEMENT VANE PUMP FOR INDUSTRIAL APPLICATIONS”。
非平衡轉子葉片泵是一種結構最緊湊的變量泵，廣泛應用于流體動力系統中。
在AMESim建立的模型中，泵被離散化為單個具有均質特性的控制體積，這是比較流行的操作方法，因為它只需要很少的計算時間即可，而且還可以用于系統級分析。不過，AMESim仿真的結果還需要通過實際的樣機測試來校準一些系數。與此同時，最詳細的方法是用計算流體動力學(CFD)來表示。但是，它需要非常高的CPU資源。
該文章提出了一種詳細的高壓變量葉片泵參數模型。該模型集成了三維有限元和CFD模擬的具體結果。其中最重要的結果是配流盤的彈性變形對軸向間隙補償的影響。一旦通過試驗驗證，該模型可作為泵的設計和優化階段的工具。
這里研究的組件是葉片泵，最大排量為48.8cc/rev，最大工作壓力為210 bar。在圖1中顯示了泵芯的截面視圖。該裝置提供了11個葉片，擁有11個外部(主要)可變容腔。
展開 航空發動機制造為什么這么難？
熱力學流程圖畫一畫，再加些理想條件算個數，看上去不是很難，一看高壓渦輪那兒的溫度2500K, 乍一看也就那樣，比天體物理動不動幾億上兆的能量差遠了。但是這是材料科學多年來最頭疼的問題，高壓渦輪，幾個瓷碗大的部件大約占發動機制造成本的百分之二十，工作溫度超過了任意，任意材料的熔點。為什么它厲害？為了保證材料溫度低于熔點，高壓渦輪葉片必須處在一個動態平衡中，就是導入熱量與導出熱量的大小和方向都有嚴格要求，其材料是少數國家有量產能力的鎳基超合金，晶胞已經很復雜，為了控制導熱方向，航發公司需要將整個結構制成單晶體，方向一致。制成一塊規則形狀的已經無比復雜，但為了控制溫度還不夠，一般渦輪葉片就做模具做出樣子就好，但航發高壓渦輪的結構是空心的，復雜的曲面上布滿散熱孔，才能讓其在浸沒在超高溫流體的工作狀態下不至于融化。外表面還要仰仗陶瓷復合材料涂層絕熱。
通俗類比一下就是，這兒有一塊冰，得讓它在高壓水蒸氣中運行幾千小時。
特別是，不是做出來一個就完了，整體產業鏈的品控要很高才能讓產品具有經濟價值，傾舉國之力做幾萬個試驗品，可能做出來了一個，但成本比洋大人坐地起價技術壟斷賺得盆滿缽滿的價格還高，這個產業是難以存活的。況且，這幾萬次可能都不夠的失敗是幾乎難以避免的實驗過程，實驗數據非常寶貴，這個成本幾乎是難以逃避的。
這么多年都在說航空特別是民航缺少中國心。還真不是畫畫熱力學“理想狀態” 兩條豎線一條曲線，就能造出來的。
文章轉載自微信公眾號：FESIM有限元分析
展開 
ANSYS BladeModeler 渦輪機械葉片設計
ANSYS BladeModeler強調了它在渦輪機械葉片設計領域的強大優勢。它能在短時間內設計出形狀復雜的葉片，或對已有的葉片幾何進行修改。它內置各種工業常用的葉片模版，方便用戶調用。ANSYS BladeModeler用戶界面友好，整個過程自動化，葉片的三維視圖，S1及S2流面圖等多種視圖完整而豐富。 ANSYS BladeModeler還可以直接讀入幾何模型進行修改。用戶可以通過拖動流線上控制點等方式對葉片形狀進行三維的方便修改，修改的結果立即直觀地呈現在屏幕上。ANSYS BladeModeler生成的幾何文件可以輸出至流體和結構分析軟件進行網格劃分和數值計算。
特色功能：
將葉片設計專家豐富的設計分析經驗融入友好的圖形化界面
能直接創建新的葉片幾何模型，也能對已有的模型進行修改
內置模版豐富，幾乎可以設計所有的軸流,徑流,混流式透平機械的靜動葉片.前緣，尾緣,葉根葉尖間隙,大小葉片的處理都極為方便
各種葉片視圖完整而豐富
壓力面，吸力面的獨立設計
子午流線的任意定義
前緣，尾緣的交互式改變
與CAD軟件及CFD軟件的良好接口實現了葉片設計,加工,分析一體化
支持Workbench集成
典型應用：
水泵葉片設計
透平機械靜動葉片及流體通道設計
多級發電機組葉片設計
艦船螺旋推進器葉片設計分析
展開 渦輪分子泵葉片的結構設計與分析
style="text-indent:2em;">
文章描述了在渦輪分子泵（以本公司研發的FF250-?250/1600型復合分子泵為例）的設計中，以關重件之一（渦輪轉片）為例，巧妙借助PRO/E、PRO/MECHANICA軟件對其進行3D結構設計及分析，很大程度上縮短了研發周期，提高了產品結構設計的可靠性，真正實現了“短周期性、高可靠性”的設計理念。
<p?style="text-indent:2em;">
1、葉片的設計及結構分析
<p?style="text-indent:2em;">
葉片的3D?結構設計
<p?style="text-indent:2em;">
在PRO/E環境下建立葉片的3D?設計模型，該葉片參數：葉片厚度7mm、葉片孔徑74mm、葉齒頂徑257mm、葉齒根徑134mm、葉齒傾角40°、葉齒厚度2.5mm、齒數38齒、凸緣厚度12mm、凸緣外徑109mm、連接孔6-Φ8.4?均布。
<p?style="text-indent:2em;">
2、結束語
<p?style="text-indent:2em;">
應用無縫集成軟件PRO/E與PRO/MECHANICA對機械產品的結構進行優化設計及有限元分析，會大大縮短產品研發周期，同時，結構分析數據為產品的設計提供了強有力的技術支撐，使產品的設計更可靠，更準確。一般地，將理論分析數據（如應力、位移數據）乘以一個安全因子S（經驗值）即可作為產品實際相應數據，S取1.1~1.2。本文提供的渦輪分子泵葉片的結構設計與分析，就是應用PRO/E與PRO/MECHANICA設計的一個成功案例。
</p?style="text-indent:2em;"></p?style="text-indent:2em;"></p?style="text-indent:2em;"></p?
展開 Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
賀 恒
(廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000)
摘 要：通過選取某尺寸的渦輪和流量值作為案例,解析了運用Bezier曲線設計渦輪葉片造型的過程，進行了計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)驗證，得到渦輪機械性能預測曲線，驗證了渦輪葉片造型設計。
關鍵詞：Bezier曲線;渦輪葉片造型設計;CFD水力性能驗證;機械性能預測曲線
0 引 言
由于工業市場的日益繁榮，渦輪因其獨特的優越性，在各行各業的應用越來越普遍。然而，傳統的渦輪葉片設計效率低且不能完全滿足實際渦輪的性能需求。在葉片設計過程中，進、出口角度通常是給定的定值，所以要求選取的曲線需要確保在起始點和終點的一階導數，Bezier曲線正好能夠滿足這個要求。本文選取Bezier曲線設計渦輪葉片造型，使用FLUENT進行CFD驗證分析[1-6]，提出了渦輪性能曲線相似轉換。一方面，四階Bezier曲線計算得到的葉片型線坐標精確度高，CFD分析可以對設計的型線進行校驗分析，直到型線設計滿足要求為止。另一方面，CFD數值模擬技術具有成本低、設計周期短的優勢，在很大程度上彌補了傳統流體動力學實驗的劣勢。同時，相似轉換計算的提出，只需要計算一種流量下的渦輪葉片性能參數，就能直接計算出其他不同流量下的性能參數。這種方法的綜合運用可以大大減少CFD分析的計算量，提高渦輪葉片設計的效率。
展開 基于內部通道冷卻的渦輪葉片熱應力仿真 ￥5
在渦輪機行業，用流體冷卻渦輪葉片是常見的做法 流經冷卻孔。由于刀片中的溫度梯度， 會產生熱應力，從而導致葉片失效。
在典型的熱應力分析中，溫度被計算出來，然后應用為 應力分析的荷載條件。雖然可以解決 溫度通過對共軛傳熱進行建模 計算流體動力學 （CFD） 代碼，它需要大量的 計算資源。CFD 的降階模型，假設一維流 通過孔，可以提供一種廉價的解決方案，而不會造成重大損失 準確性。由于通過冷卻孔的質量流量是已知的，因此經驗 薄膜系數的關系可用于模擬來自 刀片到流體。
