壓氣機的案例
燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
本文研究的對象是該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子, 通過對轉子-支承建模, 使用SAMCEF專業轉子動力學分析軟件, 采用有限元素法分析了其轉子動力學特性, 包括轉子的臨界轉速計算、穩態不平衡響應分析、轉子穩定性分析等。驗證了其在工程應用方面的可用性及可靠性, 同時得出了分析其動力學特性的基本方法及結論。
1 結構簡介
該型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子呈軸流輪轂式整體結構, 它由9級低壓壓氣機和1級低壓渦輪組成, 低壓壓氣機與低壓渦輪之間通過低壓渦輪軸連接并以花鍵傳遞扭矩(見圖1)。0 ～ 8級低壓壓氣機輪盤、葉片材料為鈦合金;低壓渦輪盤、葉片材料為高溫合金;低壓渦輪軸材料為馬氏體不銹鋼。低壓渦輪壓氣機轉子呈3點支承結構, 前支承采用徑向止推滾珠軸承, 支承點位于壓氣機0級輪盤前段, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成;中間支承采用滾柱軸承, 由擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓壓氣機后軸徑后段;后支承采用滾柱軸承, 由彈性支承、擠壓油膜阻尼器、滾珠軸承組成, 支承點位于低壓渦輪軸后段。
2 計算模型
該型燃機低壓渦輪壓氣機轉子的3D模型較大,這將導致在網格劃分以及計算過程中花費大量時間,因此我們對本機組的計算采用2D軸對稱模型。在總體直角坐標系下建立二維軸對稱單元, 其種類有3節點或高階6 節點的三角形單元、4 節點或高階8 節點的四邊形單元。每個節點有9個自由度, 前6個自由度與梁單元一樣, 分別為沿旋轉軸線方向的拉伸和扭轉, 以及由彎曲而引起的其他2個方向的線位移和角位移。另外, 3個自由度與旋轉軸的橫截面變形有關, 分別為拉伸引起的徑向位移和彎曲引起的2個切向位移。同時, 使用這類單元可以很好地模擬轉子的“渦動效應” 。
建立總體直角坐標系(X , Y , Z )和局部圓柱坐標系(er, z , eθ)。
展開 氦氣透平壓氣機轉子動力學分析
作者：王旭 周傳月 關鍵字：氦氣透平壓氣機 轉子動力學 電磁軸承
本文用Samcef Rotor軟件對氦氣透平壓氣機轉子支承系統進行轉子動力學計算與分析，通過大量分析計算，為氦氣透平壓氣機總體結構設計提供設計依據。
1.引言
清華大學IOMW高溫氣冷實驗堆HTR-IOGT項目是國家863重點攻關項目，氦氣透平壓氣機組（以下簡稱氦氣輪機）是該項目能量轉換的核心設備。氦氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、氦氣渦輪以及壓氣機和渦輪的進排氣裝置組成。氦氣輪機采用單軸立式布置，工作時由徑向電磁軸承和軸向止推電磁軸承支承、非工作狀態由徑向機械軸承和軸向止推機械軸承支承。由于氦氣輪機采用單軸雙支承結構，從而決定了其柔性轉子的動力學特征。在總體結構設計上，如何調整轉子臨界轉速、如何確保轉子過臨界時較小的振動幅值以及如何保證計算的準確性等，這些都是我們十分關心的問題。本文就是針對上述問題，論述工程設計中配合總體結構設計，進行氦氣輪機轉子臨界轉速與振型計算以及氦氣輪機轉子穩態諧波響應計算與分析。
2.計算模型
2.1 幾何模型
圖1為氦氣輪機轉子結構。從左到右分別為低壓壓氣機轉子前軸及其上的支承、低壓壓氣機轉子、高低壓壓氣機間聯接軸、高壓壓氣機轉子、高壓壓氣機與氦氣渦輪間聯接軸、氦氣渦輪、渦輪后軸及其上的支承。
圖1 氦氣輪機轉子支承結構
轉子動力學計算是配合氦氣輪機總體結構設計進行的，因此，要求計算結果要保證一定的精度，同時還要進行很多不同結構方案的計算，而氦氣輪機轉子結構復雜，完全模擬轉子的實際結構會給計算帶來很大的不便，甚至會產生局部振動干擾整個轉子的動力學計算的情況?；谏鲜隹紤]，決定計算模型采用三維計算模型，但對三維模型進行必要合理的簡化。
展開 CAESES離心壓氣機葉輪優化案例分享
案例——離心壓氣機
離心式壓氣機有體積小、單級增壓比高等特點，廣泛應用于航空、船舶等領域的動力系統。葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優化。該離心壓氣機主要性能參數及葉輪模型如下所示：
工作介質
空氣
流量
0.8kg/s
轉速
100000r/min
該優化案例的優化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環境，能夠高效的創建參數化模型并進行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構建自動化網格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優化算法，根據仿真分析的結果調整葉輪模型參數，對葉輪性能進行自動優化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優化的典型流程如下：
模型的創建及變形控制
首先在CAESES軟件中構建全參數化葉輪模型，關鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6.
展開 利用STAR-CCM+對壓氣機葉型進行優化
壓氣機作為發動機的重要部件，對發動機性能有重要影響；在高推重比渦輪風扇發動機中，高負荷跨聲速壓氣機內部的流動情況復雜多變，葉型損失和二次流損失大大增加了壓氣機的設計難度；研究壓氣機三維葉片和流道對激波和復雜二次流動的影響機理及提升相應的控制技術，使得壓氣機優化設計成為高性能壓氣機設計過程中至關重要的環節。
數值方法
研究模型
研究對象為跨聲速壓氣機轉子NASA Rotor 37轉子， Rotor 37是NASA Glenn Research Center于 20 世紀 70 年代設計的四個高壓壓氣機進口級之一，后來NASA采用激光測速儀和探針對孤立轉子流場進行了詳細的測量，如圖。
展開 
航空發動機壓氣機和渦輪輪盤的載荷特點及計算狀態
二、熱載荷
輪盤要承受因受熱不均引起的熱載荷，對于壓氣機盤，熱載荷一般可以忽略。但隨著發動機總壓比和飛行速度的提高，壓氣機出口氣流已達到很高的溫度。所以，壓氣機前后幾級盤的熱載荷有時也不可忽略。對于渦輪盤，熱應力是僅次于離心力的重要影響因素，計算時應考慮以下類型的溫度場：
飛行包線中規定的各強度計算的穩態溫度場；
典型飛行循環中的穩態溫度場；
典型飛行循環中的過渡態溫度場。
在估算時，若原始數據無法充分提供，也沒有實測溫度可參考，這時可以根據設計狀態及最高熱載荷狀態的氣流參數進行估算，估算盤上溫度場的經驗公式為：
式中，T 為所求半徑處的溫度，T0 為盤中心孔處的溫度，Tb 為盤輪緣處的溫度，R 為盤上任意半徑，下腳標0、b 分別對應中心孔和輪緣。
m=2，對應無強迫冷卻時的鈦合金和鐵素體鋼；
m=4，對應有強迫冷卻時的鎳基合金。
1.
展開 賽峰計劃在明年6月份進行銀冠發動機的壓氣機測試
導讀：10月15日，據路透社報道，法國賽峰集團陷入困境的銀冠（Silvercrest）發動機項目計劃在2019年6月測試新型軸向高壓壓氣機，希望能夠滿足賽斯納全新獎狀公務機Hemisphere的發動機性能要求。之前由于該發動機反復出現問題，被迫向達索公司賠償了2.8億美元。
由于12,000磅推力級銀冠發動機的性能問題，賽峰的首臺專用公務噴氣發動機遭遇滑鐵盧，導致去年年底被飛機方達索公司取消公務機Falcon 5X計劃，今年9月6日，雙方才達成了一項“友好”的賠償協議，賽峰向達索公司支付賠償金額2.8億美元。之前，“獵鷹” 5X公務機項目于2013年推出，但因發動機問題，Falcon 5X公務機計劃投入運營時間從2017年推遲到2020年，直到最終取消。
但隨后，2018年3月份，達索公司又推出了Falcon 6X公務機，機身稍長，而動力上卻選擇了加拿大普惠公司的發動機。Falcon 6X飛機預計于2021年首飛，2022年開始交付。
同時，另一個公務機制造商德事隆航空公司旗下的賽斯納也暫停了全新公務機Hemisphere的研發。塞斯納則表示，如果沒有賽峰的銀冠發動機，則不會推出Hemisphere公務機。
賽峰飛機發動機公司首席執行官奧利維爾-安德里斯（Olivier Andries）表示：“設計正在按計劃對發動機進行改進。去年夏天，改進的壓氣機最終設計已經交付給了生產部門，在不變的鍛造工藝情況下，通過改進加工方式可以實現空氣動力學的改進?！?根據賽峰最新的計劃，首臺壓氣機的組裝將在2019年年初開始，并且計劃在6月份開始首次測試（非發動機整機測試），而不是之前預計的2019年春天。
展開 某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析
為了獲得某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子的動力學特性，并驗證其穩定性及可靠性，本文使用ＳＡＭｃＥＦ／Ｆｉｅｌｄ軟件的轉子動力學分析模塊對該轉子進行了分析計算。根據機組實際運行的條件，計算了該機組轉子的臨界轉速、穩態不平衡響應、葉片丟失瞬態響應等。計算結果表明，臨界轉速安全系數合理；轉子系統選取的平衡量具有較小的振動幅值；轉子的瞬態響應結果驗證了結構方案的合理性，轉子系統具有較好的穩定性。得出了此轉子結構方案能保證低壓渦輪壓氣機穩定運行的結論
某型燃氣輪機低壓渦輪壓氣機轉子動力學分析.pdf
壓氣機葉片疲勞可靠度及壽命的預測方法
壓氣機葉片疲勞可靠度及壽命的預測方法
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【CAE案例】壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
01 研究背景
什么是壓氣機的旋轉失速問題？
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
壓縮機中的旋轉失速 壓縮機中的旋轉失速
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發的通用計算流體力學（CFD）求解器 code_saturne進行數值模擬，并將仿真結果同實驗測量數據以及FLUENT商業軟件的仿真結果進行比較，證明了code_saturne進行可壓縮流場仿真計算的可信性。
code_saturne中的可壓縮算法和湍流模型的改進
壓氣機失速現象涉及到對旋轉可壓縮氣流流場不穩定性的高精度的捕捉，針對本案例，對code_saturne內的可壓縮流求解部分的源代碼做出了以下的優化和改進。
? 對流項的離散格式增加至3階
? 使用2階Crank-Nicholson時間差分格式
? 植入并試驗了由?ada和Torrilhon提出的3階限制器
同時針對code_saturne中的k-ω SST湍流模型進行了旋轉和曲率修正，使之更加適用于旋轉氣流仿真。
為了對改進后的k-ω SST湍流模型，在code_saturne中測試了旋轉管流的經典驗證算例，模擬繞軸向旋轉的管道中的氣流流場。
展開 某型單級軸流壓氣機性能仿真與試驗案例
針對某型單級軸流壓氣機進行CFD仿真計算和多次試驗測量，得到仿真結果和一系列上下波動的試驗數據，用戶面臨如下問題：
仿真模型求解精度驗證（Verification）
采用Star ccm+軟件對壓氣機性能進行初始仿真計算：
調用物理模型精度分析模塊對K-Omega、K-Epsilon、S-A三種湍流模型精度進行評估（以增壓比π為例），發現K-Omega模型精度最高，選擇該模型：
調用離散誤差精度評估模塊對三套葉片網格1、2、3（特征尺寸比為1：1.5：2.25），計算得Mesh2網格離散誤差精度為±0.026，符合要求選取Mesh2：
調用計算收斂誤差精度分析模塊對上述仿真結果殘差曲線進行評估，得到其精度為±0.00007，符合要求：
綜合上述結果可得合成后的仿真模型求解精度為±0.0266
UQ不確定性量化分析
調用SimV&Ver的UQ不確定性量化分析模塊，對4個輸入參數（轉速、級進口總壓、進出口背壓、進口氣流角）不確定性導致的響應量（增壓比π）變化結果進行分析，得其上下限為±0.08：
根據計算結果可對各輸入參數對響應量的敏感度系數進行分析：
仿真與試驗結果對比與誤差分析（Validation）
調用仿真與試驗結果對比與誤差分析模塊，對CFD仿真與試驗結果誤差進行對比分析；
根據試驗測得增壓比累積分布曲線，可得該級壓氣機壓比不低于1.57的概率為95%，符合設計要求；
試驗與仿真結果的葉片表面靜壓分布（15個測點）曲線的確認指標（Validation Metrics）
展開 開源CAE Code_Saturne案例 | 壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。擁有多種不同的湍流模型，例如雷諾平均模型（Reynolds Average Navier-Stokes: RANS）與大渦模擬模型(Large Eddy Simulation: LES)。
軟件涵蓋多種工業應用物理模塊：大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒模塊、電弧與焦耳效應模塊、顆粒追蹤模塊、流體機械轉子-定子互動模塊等。為適應工業界復雜的物理問題，該軟件具備靈活的二次開發接口。其強大的并行計算能力，適用于超性能計算平臺處理大規模計算問題。該軟件在工業領域得到廣泛的應用與認可。
研究背景
什么是壓氣機的旋轉失速問題？
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
壓縮機中的旋轉失速
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。
展開 
壓氣機導向器葉片的鹽霧腐蝕仿真 ￥500
<p>本案例建立了一壓氣機導向器葉片模型，如圖1所示。基于COMSOL軟件的二次電流模塊仿真了壓氣機導向器葉片的電極電位，并基于電流分布殼體接口求解薄電解質域內的電解質電位。電解質膜的厚度取決于鹽負荷密度和相對濕度。氧溶解度和電解質電導率也取決于相對濕度。使用與大氣腐蝕模型相同的表達式來分析電解質膜厚、氧溶解度和電解質電導率與相對濕度的相關性。仿真結果如圖2所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/c238539d1c4448d385a40815ac069aa7.png" alt="Untitled11.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 幾何模型</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/7ac3e5fa234a4211bc4cdf934005e009.png" alt="Untitled12.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>腐蝕電流密度</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/10f4d4177d534c529e4f9a7bd34aadd1.png" alt="Untitled13.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>電極電流密度和電勢分布</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎交流合作</p><p><br></p><p><br></p>
展開 【EDF開源CAE】使用Code_Saturne對壓氣機旋轉失速現象的CFD仿真
基于有限體積方法，支持多種類型網格，通過求解納維-斯托克斯方程，用于處理二維、二維對稱、三維，穩態或非穩態，層流或湍流，不可壓或微可壓流體，等溫或非等溫等多種計算問題。軟件涵蓋大氣模擬、煤粉、重質燃料及生物質的燃燒、電弧與焦耳效應、顆粒追蹤、流體機械轉子-定子互動等多種工業應用物理模塊，并在工業領域得到廣泛的應用與認可。
01
研究背景
旋轉失速是沿壓氣機周向的非均勻流動狀態。失速現象一般首先發生在葉輪處，當離心式或軸流式壓縮機的操作工況發生變動時，氣流會在葉片的凹面附近形成氣流漩渦，氣流漩渦的聚集會阻礙通道內的氣流流通，減少通道內的有效流通面積，形成氣流堵塞團，不但會使發動機性能（推力、經濟性）大為惡化，限制發動機的工作范圍，更嚴重的可能會引起發動機突然熄火，或引起壓氣機葉片劇烈振動以致葉片斷裂而造成整臺發動機的損壞。
失速現象可能對壓縮機造成嚴重損害，因此預測在何種工況下會出現旋轉失速的現象就顯得十分有必要。
在本次介紹的算例中，就使用法國電力（EDF）開發的開源通用計算流體力學（CFD）求解器 Code_Saturne進行數值模擬，并將仿真結果同實驗測量數據以及FLUENT商業軟件的仿真結果進行比較，證明了Code_Saturne進行可壓縮流場仿真計算的可信性。
02
Code_Saturne仿真軟件的優勢
針對本算例計算的可壓縮旋轉氣流流場的仿真模擬，Code_Saturne開源通用流體力學計算軟件具有以下的優勢：
所有代碼全部開源算法透明，同時方便植入和嘗試特殊模型和更加先進的求解算法。
展開 Fidelity Turbo（原Numeca）氣動性能模擬（壓氣機專題）免費線下培訓·上海
支持的組件種類多樣，從多級軸向到徑向，再到混流結構：壓縮機、渦輪機、泵、風扇、螺旋槳。本次培訓以壓氣機為案例，介紹Fidelity CFD葉輪機械模塊的仿真流程。包含典型工程案例、軟件練習等，歡迎報名參加！
? 聯系人：王先生（微信昵稱：CAE助手阿育@技術鄰）
報名請掃描上方二維碼聯系
? 日程安排：2024年3月28日
? 培訓講師：Cadence Fidelity CFD官方工程師
? 適用人群：壓氣機、通風機等旋轉機械行業的設計者，CFD模擬從業者，高校教師及學生。
展開 壓氣機盤模態及靜力學分析
本文采用壓氣機盤模型（包含small features和to thin solids）,采用simsolid進行模態分析及離心載荷下的靜力學分析，并與ansys workbench軟件的計算結果進行比較，發現對于含小特征及薄壁結構模型的模態分析，simsolid對小特征及薄壁結構的局部模態捕捉不佳。進行靜力學分析時，要注意simsolid計算得到的約束處的應力可能不是真實應力。
幾何模型：
geometry.rar
simsolid模型：
static.part1.rar
static.part2.rar
Compressor 2_mode.rar
