葉頂的案例
渦輪葉頂泄漏控制研究進展
渦輪葉頂泄漏控制研究進展
傅力宏1,2 張雪輝2,3 陳海生2,3 王星2,3 張金鳳1 周鑫2,3 秦偉3
(1. 江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心， 鎮江212013；
2. 中國科學院工程熱物理研究所， 北京100190；
3. 中國科學院大學， 北京100049)
摘要：通過歸納國內外渦輪葉頂泄漏控制研究，總結了軸流、向心渦輪采用的葉頂泄漏控制方法及取得的研究進展，分析了不同控制方法的特點和不足，最后對渦輪葉頂泄漏控制方法的發展趨勢進行了展望。目前，帶冠軸流渦輪葉頂泄漏控制方法除了傳統的迷宮密封，還有蜂窩密封、干氣密封等；不帶冠軸流渦輪控制方法種類較多，可細分為主動控制方法和被動控制方法；開式和半開式向心渦輪控制方法目前僅有葉型優化和機匣開槽；閉式向心渦輪控制方法較為單一，以迷宮密封為主。軸流渦輪中多種泄漏控制方法耦合具有較好的應用前景；開式和半開式向心渦輪中綜合有效的葉頂泄漏控制方法，以及閉式向心渦輪輪蓋空腔非設計工況和非定常工況下的泄漏特性有待進一步研究。
展開 Turbogrid葉頂間隙網格劃分技巧
具體操作如下所示：
2
★
Turbogrid中的葉頂間隙的定義方式：
其實就是將葉片在葉高方向進行切割，對葉頂間隙的位置用網格進行填充，葉片位置按照傳統的Turbogrid的網格劃分方式去劃分。
Turbogrid中提供了4種間隙定義方式：
Constant Span：通過葉高的百分比控制，如：90%葉高位置，即葉頂間隙的高度占據整個葉高的10%。
軸流壓氣機葉頂噴氣穩定性控制研究 中國科學院工程熱物理研究所李繼超
軸流壓氣機葉頂噴氣穩定性控制研究 中國科學院工程熱物理研究所李繼超
空調機組氣流噪聲仿真研究 ￥19.89
現有研究成果總結：
在空調室外機軸流風扇中，葉頂部分的紊流強度很大，這也是葉尖渦產生的地方。可以認為葉頂不穩定的漩渦流動是噪聲產生的主要原因。葉頂旋渦結構跟導風圈的配置緊密相關，可以通過改變導風圈的結構，改變葉頂旋渦結構和強度，降低噪聲。
寬頻噪聲強度，與主流速度成六次冪關系。意味著葉片通道中主流速度大小是影響噪聲大小的一個重要因素。如圖2所示，將設計導風圈子午流道結構做成漸擴型，通過控制風扇葉尖渦來減小噪聲，就是通過改變導風圈的結構配置，控制葉尖旋渦的發展，減少葉尖和導風圈之間的回流，從而減少由于葉尖渦引起的主流阻塞，增大有效的通流面積，降低主流的流速，最終有效的降低噪聲。
展開 
葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 葉輪機械仿真前處理的那些事（Ⅰ）
最后在AutoGrid5中導入相應文件進行網格劃分，設置葉頂間隙、葉根導圓等。
葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
如此大振幅的葉片振動將對葉頂間隙等處流場產生較大影響，進而影響風扇/壓氣機的效率、性能和穩定性。傳統葉片流固耦合方法在處理風扇/壓氣機氣動彈性問題時通常面臨以下挑戰：
單向流固耦合仿真：在跨音葉柵流場中，葉片大幅振動會對邊界層分離、激波以及葉頂泄露流產生強烈相互作用而形成強耦合多物理場，難以進行單向耦合解耦；
基于頻域分析的多物理場仿真：無法準確模擬整個時間歷程下的結構振動情況和流場流動形態，難以對葉片流動與振動的相互作用進行詳細研究；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣：不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用，難以用于工程實際。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機專用氣動仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical，在Workbench平臺下采用CFX + Mechanical雙向流固耦合方法對整個時域歷程下的葉片流動和振動耦合狀況進行高效、高精度仿真分析。該解決方案操作流程簡明、計算精度高，是目前商業軟件中較為成熟的雙向流固耦合解決方案，適合于對跨音、大展弦比風扇/壓氣機葉片進行雙向流固耦合仿真分析。雙向流固耦合技術按照解耦程度可以大致劃分為3種：
雙向顯式流固耦合：在每個時間步長內，流體和結構求解不進行迭代，直接進行數據交互傳輸，計算速度快；只適用于弱耦合問題，強耦合物理問題精度較低；
強耦合流固耦合：流體和固體求解方程組在同一矩陣中同時求解，求解過程非常復雜、不易收斂，多用于學術研究領域；
雙向隱式流固耦合：流體方程和結構方程單獨分開在不同的求解器求解，在每個時間步長內流體和結構分別迭代求解，直至交界面上的數據完全收斂。
展開 技術平權時代，小企業也能設計出高性能風扇
首先基于CAD軟件做風扇的參數化建模，設計變量有天花板距離、葉根弦長、葉頂弦長、葉根角度、葉頂角度等一共7個變量。
建模完成后，再基于輸出的幾何模型做CFD模擬，輸出目標量，即風扇流量。
流程并不復雜，但AIPOD的強大就在于其內置的智能優化算法。
經過連續2天的自動運行，優化得到的結構成功將風扇風量增加了20%。
毫不夸張地說，常規方法花4個月都不一定取得此成果。客戶見此情景，高興地差點跳起來。
更進一步，AIPOD還可進行變量敏感度分析，對影響因素重要性排序。結果顯示對風扇燈而言，風扇離天花板的距離是風量的主要影響因素。
若不限制該距離再次優化，結果更是喜人，風扇風量相比最初設計可增加70%。
相信如果馮·卡門在世，也會對此贊不絕口。
歡迎大家到天洑官網下載體驗AIPOD，感受技術平權時代的魅力。
展開 一文看完Ansys CFX發展史及2021最新功能
5.其他旋轉機械相關更新
在網格前處理、邊界條件和求解設置方面CFX也進行了一系列更新：
TurboGrid可生成二次流網格模擬葉頂間隙泄露；配合CFX新增的旋轉參考密度法可極大加速葉頂間隙高壓力/密度區域收斂速度：
CFX新增的無反射邊界條件可防止在瞬態分析時，氣流在進出口邊界位置的反射以提升仿真精度：
CFX Solver更新多級優化加速求解速度，大幅提升多級葉片計算收斂速度：
相關資料：
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2021R2 Ansys CFX新功能
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來源：Yao Xiang，Ansys應用工程師
展開 利用STAR-CCM+對壓氣機葉型進行優化
控制點
約束條件
葉片網格變形中需給定約束，一是葉片前緣和尾緣直徑不能變，二是葉頂間隙不能變。為保證前后緣直徑不變，在網格變形過程中，前后緣表面控制點的位移量通過自定義函數先進行周向平均然后賦給相應半徑范圍內的所有點，如圖；為保證葉頂間隙不變，在變形過程中葉頂控制點的徑向位移設置為0，切向和軸向隨葉片變化而自由移動，如圖。
a）前緣控制點 b）葉頂控制點
約束控制點
結果分析
性能分析
優化前后設計點性能參數變化如表。優化后效率增加0.790%，壓比提升0.475%，質量流量增加0.705%，出口熵增降低3.853%。
優化前后設計點性能參數
流量/(kg?s-1)
總壓比
效率
初始葉片
20.553
2.106
0.8730
優化葉片
20.698
2.116
0.8799
圖為優化前后出口性能參數對比，從圖中可以看出出口效率在30%葉高以上提升，在30%葉高以下略有下降；總壓比在整個徑向高度全部提升。
出口效率對比
出口總壓比對比
圖為效率特性和壓比特性對比，從圖中可以看出，葉片優化后效率在近堵點基本無提升，在近失速點提升較大，壓比在近堵點提升較小，近失速點提升較大，說明葉片優化在逆壓梯度越大時，優化效果越明顯。總體來說葉片優化后提升了變工況性能。
展開 
【技術】渦輪泵誘導輪幾何參數的敏感性分析及性能優化
子午流道輪廓變化
葉頂型線β分布變化
葉根到葉頂θ變化
前緣形狀變化示意
基于ANSYS CFX的外部仿真流程
通過耦合各種ANSYS的軟件工具，可將流體動力學分析集成到CAESES設計環境中。在CAESES中創建誘導輪幾何體后，將CFD流體域以TETIN格式導出，其中幾何體的每個部分都設置為不同顏色，這對于ICEM中的網格劃分過程非常有用，它使得ICEM能夠自動識別不同的邊界。通過一系列腳本，每個不同參數的幾何都可以自動生成計算網格，并建立包含空化分析的自動化仿真分析流程。CFD分析采用雙精度求解，SSTk-ω 湍流模型，空化模型采用Rayleigh-Plesset模型。根據仿真計算得到的誘導輪內空化氣泡的位置及空間大小等數據，采用由Fortran編寫的內部代碼進行后處理，得到空化性能目標函數數值，對模型性能進行評估。
展開 汽輪機主要零部件的結構與作用
葉片由葉型、葉根和葉頂三部分組成。
圖6—7 所示為軋制葉片和銑制葉片的結構。
（1）葉型部分
葉型部分是工作部分，相鄰葉片的葉型部分組成蒸汽的流道。
（2）葉根部分
葉片通過葉根固定在葉輪上，葉根與葉輪的連接應該牢固可靠，而且應保證葉片在任何運行條件下不會松動。葉根有T 型、菌型、叉型、樅樹型等。
（3）葉頂部分
汽輪機的葉頂部分通常裝有圍帶，它將若干個葉片聯成葉片組。
文章來源：焦化干熄焦技術
展開 Numeca AutoGrid5介紹
特點和特色： 基于網格模板技術，無需手動調節拓撲結構 簡單易操作的向導模式 豐富的CAD接口，與多種CAD格式兼容 網格邊界條件自動設置 網格劃分速度快，網格質量高 完美適用于復雜幾何結構的網格劃分： 葉尖間隙、汽封通道、倒角、處理機匣 分流葉片、串列葉柵、加強板、凸凹葉頂 端壁冷卻孔、平衡孔、零半徑、葉片鈍頭 多級、非軸對稱端壁、涵道、阻尼凸臺、非諧對稱葉片等 『AutoGrid5網格質量評判』 采用NUMECA中的AutoGrid5模塊進行網格劃分，理論上，網格最小正交性角度越接近90°越好，最大網格長寬比越接近1越好，最大網格延展比越接近1越好。但由于邊界層以及幾何的復雜性的存在，上述要求很難實現。 實際應用中一般要求如下： 最小正交性角度（min.Skewness）＞10°； 最大網格長寬比（max.Asp.Ratio）＜5000； 最大網格延展比（max.Exp.Ratio）＜10。 *不但要考慮網格的極值，還要考慮平均值和分布位置問題！ 『AutoGrid5網格生成流程』 流程如圖所示：
展開 CAESES在離心葉輪造型及優化上的應用
首先在CAESES中構建子午流道（子午流道型線可以采用直線-圓弧-直線或樣條曲線等形式），可以定義如下參數：
子午面曲線形狀
本案例中葉輪具有大小葉片，針對葉片在流道中位置可以定義如下參數：
·大小葉片各自的LE曲線與hub、shroud相交的比例位置
·TE曲線與hub、shroud相交的比例位置
接下來在CAESES中構建從hub到shroud不同位置的葉片中弧線，從而進一步構建中弧面，控制中弧線形狀和位置的參數主要有：
·前緣theta角（前緣周向位置）
前緣beta角（進口氣流角）
中弧線包角（尾緣周向位置-前緣周向位置）
尾緣beta角（出口氣流角）
流線中部形狀控制參數
以大葉片的LE曲線為約束，依次創建從葉根到葉頂的中弧線，然后將其耦合成大葉片的中弧面；
中弧線擬合創建中弧面
同樣的方法，以小葉片的LE曲線為約束，依次進行小葉片中弧線的創建，然后再耦合成小葉片的中弧面；
葉片中弧面
使用已經創建成功的葉片中弧面，配合各自對應的厚度分布方程曲線，完成葉片曲面的創建，厚度分布曲線中定義的參數主要有：
前緣的橢圓比例系數；
葉片各個位置的厚度數值；
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