渦輪葉片冷卻技術的案例
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%。
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 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 
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。
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
2003年，歐盟開展了為期3年的AROSTAEC研究項目，采用先進的葉片再制造技術，替代以手工打磨為主的修復技術，并致力于實現維修企業跨空間、跨區域的合作；德國MTU等已經掌握葉片部件修復的相關技術，認為葉片頂端磨損量在1~5 mm內具有修復利用價值，采用激光熔覆結合自適應磨削加工的修復方法，葉片修復后的精度和性能非常好；德國ALSTOM電力科技中心建立了定向凝固葉片修復的工藝生產線，修復ALSTOM GT26發動機葉片尖端，熔覆層高度接近2 mm，修復出來的零件接近最終要求的形狀，修復的葉片已通過發動機測試，工作時間超過2 800 h。
歐盟于2006—2010年啟動了FANTASIA計劃，全稱為“航空發動機復雜結構部件的柔性、近凈成形加工制造和維修技術計劃”。研究對象是基于DED-L和PBF-L的風扇/壓氣機/渦輪轉子部件先進制造與修復技術，目標是服務于羅·羅、透博梅卡、AVIO等企業，形成高質量的先進制造與修理工藝和裝備，減少至少40%的航空發動機零件維修費用和周轉周期。在該計劃中，成功采用DED-L修復航空發動機ReneN5單晶材料導向葉片外環磨損問題，通過控制熱輸入和過程主動冷卻而實現單晶組織連續外延生長，并抑制變形和微裂紋產生；該項目同時運用PBF-L技術修復Mar-M-247合金導向葉片，采用高達1 150 ℃的預熱和熱等靜壓工藝可以有效避免表面和內部裂紋。
德國于2010年在弗朗霍夫創新中心框架下啟動了TurPro計劃[131](見圖 23)，全稱為“高能效燃氣渦輪發動機綜合制造技術”，針對航空發動機/燃機的壓氣機和渦輪葉片修復開展研究，成員包括羅·羅、MTU、西門子等單位。
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 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 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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MAN主機渦輪增壓器排氣葉片損傷故障原因分析
1、MAN NR34/S主機渦輪增壓器的工作原理
柴油機增壓器運行中，利用發動機排出的廢氣來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸上的葉輪轉動，葉輪的轉動時會吸入空氣并壓縮，壓縮后的空氣壓力增大，通過空氣冷卻器冷卻后進入氣缸，空氣壓力和密度增大可以增加柴油主機的輸出功率。
NR34/S增壓器包含一個一級徑流式廢氣葉輪和一個一級徑流式壓氣葉輪,整個轉子通過2個滑動軸承支撐。
廢氣葉輪與轉子軸是整合一體的，近氣壓縮葉輪通過外部鎖緊螺母裝配到轉子軸上。
圖1 NR34/S型增壓器整體結構
NR34/S型增壓器整體結構如圖1所示，在柴油機的運行中，柴油機燃燒后的廢氣進入排煙總管后，從①位置進人增壓器廢氣渦輪入口，經過廢氣渦輪入口的噴嘴環②葉片導向，推動廢氣渦輪③轉動，之后廢氣進入尾端的排煙管⑤排到大氣中。
在廢氣渦輪轉動同時，新鮮空氣通過進氣濾器(6.1)、 消 音 器(6.2) 進人進氣渦輪⑧，通過進氣渦輪的轉動壓縮空氣，壓縮后的空氣通過擴壓器⑨和壓氣機外殼①進入進氣管內。
增壓器轉子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉子，一個滑動軸承，一個推力軸承，推力軸承靠近壓氣機葉輪側，起到定位及支撐作用。
兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。
展開 【CAE案例】渦輪發電機主軸扭轉與葉片彎曲耦合振動分析
本案例以N4渦輪發電機組為例，通過code_aster實現對發電機的主軸扭轉和葉片的彎曲的耦合計算，目的是防止渦輪發電機的旋轉頻率和諧振干擾主軸扭轉和葉片彎曲的模式。案例的核心是通過Sous-Structuration dynamique實現計算模型的拆分求解和再裝配，對于復雜模型具有參考意義。
Solidworks：渦輪葉片建模教程
1、選擇右視基準面繪制草圖，如圖所示繪制渦輪的基本輪廓，尺寸可自定義
2、對其進行實體的旋轉，360°
3、接著以上視基準面為基準往上等距新的基準面
4、以右視基準面為基準等距一個新的基準面
5、得到兩個新的基準面
6、在右視基準面繪制一條直線
7、對其進行曲面的旋轉，后期參考用
8、在基準面2上繪制圖示草圖，用樣條曲線描繪
9、接著將這個草圖投影到前面的旋轉曲面上
10、得到曲線
11、在右視基準面上繪制樣條曲線，與曲線的草圖錯開來
12、在上視基準面繪制草圖，即模型底部的平面繪制圖示樣條曲線，連接草圖和曲線
13、繪制3D草圖，用直線連接草圖和曲線兩端
14、得到封閉區域后，用曲面放樣命令選取輪廓和引導線進行放樣操作
15、得到圖示葉片曲面
16、在右視基準面繪制圖示樣條曲線，開始制作小葉片
17、將其投影到曲面上
18、繼續在右視基準面上繪制樣條曲線，同樣和曲線錯開來
19、在底部平面繪制樣條曲線連接草圖和曲線兩端
20、繪制3D草圖，用直線連接草圖和曲線兩端
21、用曲面放樣命令選取輪廓和引導線進行放樣操作
22、得到圖示小葉片曲面
23、對頂部進行圓角處理
24、對葉片進行陣列
25、大小一起陣列6個后得到圖示效果
26、對每一個曲面葉片進行加厚處理
27、得到圖示實體效果
28、在右視基準面繪制如圖草圖輪廓，用來修剪葉片
29、用旋轉切除命令，切除掉外部實體
30、得到切除后的效果
31、加載photoview插件
32、給定外觀后進行渲染
33、
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 