渦輪葉片的案例
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 渦輪葉片一維氣動方案多學科優化設計
渦輪葉片設計過程中涉及氣動、幾何、結構、材料、強度、溫度等多個學科需要用多學科優化設計方法進行渦輪葉片的設計。本文應用軟件和基于精化網格法的自編程序分別進行了渦輪葉片一維氣動方案設計。通過對軟件中不同算法的求解與對比分析為基于三維精確仿真的渦輪葉片多學科優化設計過程中的優化算法選擇提供了參考。應用精化網格法編制的多級渦輪葉片優化設計程序根據發動機總體提出的性能要求與約束條件計算得到了多級渦輪熱態子午流程通道以及渦輪葉片氣動三角形等參數為基于三維精確仿真的渦輪葉片多學科優化設計提供了初始的設計點
渦輪葉片一維氣動方案多學科優化設計.pdf
展開 通過試驗和分析方法實現增材制造渦輪葉片的數字孿生開發
圖1
（A）簡化的渦輪葉片CAD文件，葉片被縮小為扭轉40°的錐形矩形；
（B）簡化葉片的六邊形網格；
（C）原始渦輪葉片設計；
（D）與渦輪葉片幾何體相匹配的最終網格
圖2
簡化渦輪葉片前三種模態的收斂性研究
（A–C：頻率收斂性；D–F：應力收斂性）
（2）硬件表征分析了與渦輪葉片打印在同一構建板上的疲勞試樣（圖3），以調整密度和楊氏模量，將初始FEM修改為數字副本。AM渦輪葉片的結構光掃描獲取了“設計”CAD幾何結構和最終硬件尺寸之間的變化（圖4）。應用測量的材料特性和最終硬件幾何圖形創建了獨特的數字副本，每個副本都鏈接到單個硬件組件。
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
現代航空燃氣渦輪發動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前已經遠遠超過了葉片材料的熔點溫度，因此必須引入冷卻空氣對葉片材料進行冷卻，常用的冷卻方式包括：柱肋冷卻、強制對流冷卻、氣膜冷卻等。如何在不增加冷卻空氣流量的前提下盡可能降低葉片溫度成為渦輪冷卻設計工程師的重要關注點。
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。
工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
1、基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
展開 
PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
現代航空燃氣渦輪發動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前已經遠遠超過了葉片材料的熔點溫度，因此必須引入冷卻空氣對葉片材料進行冷卻，常用的冷卻方式包括：柱肋冷卻、強制對流冷卻、氣膜冷卻等。如何在不增加冷卻空氣流量的前提下盡可能降低葉片溫度成為渦輪冷卻設計工程師的重要關注點。
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
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基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
展開 航空發動機渦輪葉片鑄造工藝，這才是頂級的機械制造！
航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力的發動機，其制造過程十分復雜，發動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。這期主要介紹
渦輪葉片的組成和鑄造成型工藝過程。
01 渦輪葉片組成
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為了完成由燃氣化學能到轉子機械能的轉化，渦輪葉片在結構上主要由葉冠、葉身、緣板、葉根四部分組成。
葉身：其功能主要是實現葉片的氣動特性。葉身不同高度的截面形狀通過氣動設計來選取，周向上相鄰葉片的葉身之間構成氣流通道，供高溫、高壓燃氣流過并膨脹做功；同時，葉身型面還兼具調整氣流方向的功能，保證氣流進入排氣系統時軸向速度均勻。
緣板：其功能主要是形成獨立的氣流通道，保證高溫燃氣不會流入氣流通道以外的渦輪 盤、密封、支承等其他耐溫性較差的部件。緣板介于葉身與葉根之間，一般采取方形結構，上下分別通過過渡段和葉身、葉根連接，同一級轉子的葉片緣板組成一個封閉的環形結構。
葉根：其功能主要是連接葉片和輪 盤，以便將功率傳輸到與輪 盤相連的轉子軸上。葉根靠上、和緣板連接的部分稱為伸根。葉根下端，連接渦輪 盤的部分一般采用樅樹形榫頭，其優點有：榫頭的周向尺寸較小，可在輪緣上安裝較多的葉片，輸出功率大；多個齒面傳力，承載能力強，安全裕度大；接觸面積較大，有利于散熱和摩擦減振；間隙配合，受熱后能夠自由膨脹，可以減小熱應力；拆裝方便等。
葉冠：為了提高渦輪效率，常在葉片的上端采用一個類似緣板的葉冠結構。
展開 李應紅院士|渦輪葉片高能束增材再制造修復技術：理論、工藝、熔池、組織、缺陷及性能
圖 24 “復雜高價值部件維修技術”研究計劃[132]
Fig. 24 CRC-871 research project[132]
此外，德國科學基金會還資助魯爾大學、紐倫堡大學和德國航空航天中心等多家單位開展“從原子到渦輪葉片：新一代單晶高溫合金科學基礎研究”(SFB/TR 103)，重點探索鎳基單晶合金“成分-工藝-組織-性能”各要素之間的關聯，涵蓋從原子層面的基礎材料理論到宏觀層面的渦輪葉片制造等一系列科學和工程問題。目前，項目已進行至第三研究周期(2020—2023年)，預期將在鎳基單晶合金設計、創新工藝技術、高通量微觀結構表征和多尺度材料建模等4個專業領域取得重大研究進展。在單晶制造工藝方面，該計劃特別發展了基于PBF-EB的快速成形技術，驗證了單晶渦輪葉片增材制造的可行性。下一步將繼續完善基礎凝固理論并優化增材工藝策略，旨在實現定向性好、無裂紋、形狀復雜渦輪葉片的高性能增材制造。
目前，國外羅·羅、GE等企業已建立單晶渦輪葉片高能束增材修復生產線，主要對葉尖損傷部位進行接長修復。但由于技術封鎖，相關修復工藝以及修復葉片質量未見公開報道。中國近年來也發布了一批航空發動機熱端部件再制造領域的重大研究計劃，但迄今為止并未完全掌握以單晶渦輪葉片為代表的熱端部件修理能力。基于國外公開報道的重大研究計劃，國內發展單晶渦輪葉片修復有如下建議：
1) 加強基礎研究，突破雜晶控制、修復區組織演化和元素偏析等關鍵科學問題。
2) 完善加工體系，建立涵蓋修復前、中、后各階段的標準化的修復加工體系。
3) 緊跟發展前沿，探索鎳基單晶乃至新一代鈦鋁單晶葉片增材制造工藝。
展開 基于STAR-CCM+的渦輪葉片冷卻案例（附資料百度云下載）
對于渦輪發動機而言，提高渦輪進口燃氣溫度能夠改善發動機性能，如增大發動機推力，提高發動機的效率和發動機的推重比。
根據計算，渦輪進口燃氣溫度每提高55 ℃，在發動機尺寸不變的條件下，發動機推力約可提高10%。可見，提高渦輪進口燃氣溫度有很高的實用價值。然而，渦輪進口燃氣溫度卻受渦輪材料的耐熱能力所限制。目前，先進航空渦扇發動機的渦輪進口燃氣溫度已經達到1800K~2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁面溫度。
本文將演示渦輪葉片共軛傳熱(CHT)分析的工作流程。單渦輪葉片周圍流動的流體區域側面采用周期性邊界條件；渦輪葉片為固體區域；冷卻通道中為流體區域；進口的溫度從.csv文件導入。
創建一個新的simulation，導入幾何
導入最后地址中的幾何文件“BladeCool /blade.dbs/coolflow.dbs /hotflow.dbs”，熟悉所有幾何模型。
周期型邊界接口設置。
由于仿真模型中只包含單個葉片，側面需要一個周期邊界條件。為此，我們需要在邊界之間創建一個周期接口，該接口可以在兩邊傳遞數據，周期型信息將傳遞到region中。右擊Per1和Per2選擇Create Periodic，在Contacts中設置Rotational。
幾何模型處理。
為了創建共形網格，必須確保所有表面的物體都需要一一對應，使用壓印操作可以使表面對應。壓印網操作在葉片/冷流和葉片/熱流之間產生兩個Contacts。當部件被分配到區域時Contacts以Interface的形式轉移到Region。
展開 中科院助力國產發動機，渦輪葉片報廢率從9成暴降到1成！
以上內容可以看出，中國渦輪單晶葉片合格率長期低下，不到1成，外加加工過程報廢，實際上就是100個零件合格3-5的水平，報廢率如此之高，難怪發動機價格昂貴，而且產能嚴重不足，即使非常努力的加班加點，干出來的零件大部分都是廢品，所以工人收入普遍不高。
殲11B價格昂貴的原因就是：發動機太貴，碳纖維用太多
從某些資料來看，美國發動機廠家，渦輪葉片報廢率不到一半，這是一個非常驚人的數據，中國發動機行業從渦噴7，渦噴13時代就延續了高達9成的報廢率，確實不堪重負，因為渦噴葉片向來是極其昂貴的高溫金屬制造的，而且金屬非常硬，極其難加工，一點點啃，而且精度非常高，經常達到0.01毫米，一不小心就報廢，現在先進發動機渦輪葉片經常要加入比黃金還貴的徠等極稀有金屬，而且加的越多，渦輪性能越高，而中國幾乎沒有錸礦，經常被控制礦山的歐美公司卡脖子。
最初最終想出的招數就是，用稀土大量出口和外國換極少量的錸，相互卡脖子變成相互松手喘口氣，最近傳來好消息，陜西發現100多噸的錸礦，中國發動機終于又躲過一劫！
殲20現在使用太行發動機，未來將采用渦扇15峨眉發動機
這次中科院的葉片制造技術特大突破，使得國產渦輪葉片報廢率暴降，預計未來幾年，中國發動機產量將會發生井噴，而且發動機價格也會不斷下降，這對于苦苦等待發動機的殲20威龍來說，真是一個巨大的好消息。
來源：大水來
展開 旋轉機械：利用STAR CCM+進行渦輪冷卻葉片氣熱耦合計算
對于燃氣渦輪發動機而言，渦輪燃氣進口溫度決定著發動機的功率和效率。目前，先進的燃氣渦輪發動機渦輪燃氣進口溫度已經達到1800~2050K，遠遠超過了材料的可承受溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低葉片溫度。
本文將演示利用中文版STAR CCM+軟件進行渦輪冷卻葉片氣熱耦合計算的工作過程，計算模型源自STAR CCM Online公眾號的文章：渦輪葉片冷卻。葉片為靜止導葉，內部帶有兩彎三通道的冷卻冷卻結構，前緣通道布置了擾流肋，尾緣通道有圓形的擾流柱，冷氣僅從上緣板的排出，冷氣與燃氣不摻混。計算模型為分為三個域，分別是燃氣、冷氣和固體葉片。葉片和燃氣域兩側均為旋轉周期面。
1.模型導入
新建模擬—選擇并行—邏輯處理器數量（16核）—文件—導入—導入面網格文件“blade.dbs/coolflow.dbs /hotflow.dbs”
2.幾何處理
壓印
為創建交界面共節點網格，必須對不同實體進行壓印操作。操作過程：幾何—操作—新建—布爾運算—壓印—分別壓印“blade/coolflow”和“blade/hot.flow”。
創建周期
計算模型為單個葉片，兩側為周期性邊界，需在幾何操作中創建周期，以便形成共節點網格（與壓印類似）。操作過程：按Ctrl多選blade表面中的Per1/Per2，右鍵創建周期。在接觸—周期轉換中設定成旋轉，燃氣周期域設置方法相同。
3.區域及邊界條件
將幾何中的零部件分配給區域，并自動創建接觸模式界面。
燃氣域
a. 流體入口速度邊界[350, 0, -99]m/s
b. 流體入口溫度邊界：使用表（r）導入溫度場。（首先在工具—表中，將csv文件導入）
c.
展開 改善近壁流動通道循環疲勞，看GE如何發力新型渦輪轉子葉片
3D打印可以實現更復雜更集成的設計，這使得葉片的冷卻通道設計可以以功能實現為主。
更隨形，更復雜
燃氣渦輪發動機包括壓縮機、燃燒器和渦輪機，在壓縮機中壓縮的空氣與燃料混合并在燃燒器中點燃，然后通過渦輪機膨脹以產生動力。渦輪機內的部件，特別是周向排列的轉子和定子葉片，為了承受重復的熱循環以及該環境的極端溫度和機械應力，翼型必須具有堅固的結構并且被主動冷卻。
渦輪轉子和定子葉片通常包含形成冷卻系統的內部通道或回路，冷卻劑（通常是從壓縮機排出的空氣）通過該冷卻系統循環。這種冷卻回路通常由內部肋形成，所述內部肋為翼型提供所需的結構支撐，并且包括多個流動路徑以將翼型保持在可接受的溫度范圍內。通過這些冷卻回路的空氣通常通過翼型的前緣、后緣、吸力側和壓力側上的薄膜冷卻孔排出。
燃氣輪機的效率隨著點火溫度的升高而增加，因此，對技術進步的需求不斷增長，為了使渦輪葉片能夠承受更高的溫度。這些技術進步有時包括使用能夠承受更高溫度的新材料，也經常涉及改善翼型的內部構造以增強葉片結構和冷卻能力。
眾所周知，通過在四壁布置中形成的近壁流動通道可以實現高冷卻效率。然而，近壁流動通道的挑戰在于外壁經歷比內壁顯著更大的熱膨脹水平。這種不平衡的增長導致在內肋連接的點處產生應力，這可能導致低的循環疲勞，這可能縮短葉片的壽命。
根據3D科學谷的市場研究，GE公司通過3D打印技術正在開發一種渦輪轉子葉片，葉片的特殊設計包括由凹壓側外壁和凸吸入側外壁限定的翼型，翼型沿前緣和后緣連接，并且在它們之間形成徑向延伸的腔室，用于接收冷卻劑的流動。
展開 
渦輪分子泵葉片的結構設計與分析
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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。
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1、葉片的設計及結構分析
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葉片的3D?結構設計
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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。
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2、結束語
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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。
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展開 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
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。
渦輪葉片冷卻分析案例
比利時的CENAERO研究中心采用MpCCI聯合對渦輪葉片的冷卻系統進行了仿真。其中固體傳熱計算采用Abaqus，內部流場計算采用它自己開發的三維流體求解器Argo，外部流場計算采用渦輪機械專用軟件elsA。
葉片的結構模型采用四面體二次單元463,000個，外部流體單元大約320萬，由8個處理器進行計算 ，冷卻通道流體單元大約630萬。
經過70次交換，得到了穩態的溫度場分布。
在葉片附近的流場溫度分布顯示出一個V型的冷卻區域，這是由葉片和冷卻壁附近的二次流的相互作用而產生的，參見下圖。
結論：考慮流固耦合情況下，固體和流體界面之間的熱流和溫度是未知的，熱邊界條件是經過流體和固體反復迭代達到熱平衡時的熱流和溫度條件，通常會使計算精度提高10%。
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