燃氣渦輪的案例
帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機部分，燃燒器部分和渦輪部分。通常，在運行期間，空氣在壓縮機部分中被加壓并與燃料混合并在燃燒器部分中燃燒以產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體流過渦輪部分，渦輪部分將熱燃燒氣體的能量轉化為動力。這其中涉及到大量的零件在高溫下運行。
對于航空或燃氣渦輪發動機中需要高溫條件下運行的零件來說，很多零件需要帶冷卻通道。在這方面，根據3D科學谷的市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
提高局部對流冷卻效果
根據3D科學谷的市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印技術應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對于任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決于部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，并且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
點陣結構（圖中編號80）可以通過諸如粉末床金屬熔融的增材制造工藝來生產，當然還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產。
不過，根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
展開 帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件
燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機部分，燃燒器部分和渦輪部分。通常，在運行期間，空氣在壓縮機部分中被加壓并與燃料混合并在燃燒器部分中燃燒以產生熱燃燒氣體。熱燃燒氣體流過渦輪部分，渦輪部分將熱燃燒氣體的能量轉化為動力。這其中涉及到大量的零件在高溫下運行。
對于航空或燃氣渦輪發動機中需要高溫條件下運行的零件來說，很多零件需要帶冷卻通道。在這方面，根據市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
提高局部對流冷卻效果
根據市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印技術應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
據了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對于任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決于部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，并且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
點陣結構（圖中編號80）可以通過諸如粉末床金屬熔融的增材制造工藝來生產，當然還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產。不過，據了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
左手冷卻通道，右手點陣結構
談到發動機部件的冷卻技術，我們通常想到的是冷卻通道的方式。
展開 UTC聯合技術通過3D打印助力多種材料的燃氣渦輪發動機轉子開發
圍繞著發動機的3D打印，3D科學谷之前分享了美國聯合技術(UTC)關于燃氣渦輪發動機自冷卻孔結構的3D打印情況，還深入了解分享了UTC如何通過3D打印開發帶中空壁熱屏蔽結構的燃料噴射器。
本期，讓我們共同領略UTC如何通過3D打印開發用于燃氣渦輪發動機的轉子。
3D打印助力多材料組件制造
燃氣渦輪機轉子系統包括連續的葉片排，其從相應的轉子盤延伸，轉子盤以軸向堆疊構造布置。轉子疊層可以通過多種系統組裝，例如緊固件，熔接，連接軸及其組合。
燃氣渦輪機轉子系統在在顯著壓力和溫度差的環境中運行，部件的邊界部位主要用于分離核心氣體流動路徑和次要冷卻流動路徑。對于高壓，高溫應用，組件在這些邊界上經歷熱機械疲勞（TMF）的考驗。出于對期望的性能要求，研究人員不斷的開發具有最佳性能與重量比的組件。
根據3D科學谷的市場研究，UTC開發的用于燃氣渦輪發動機的轉子的轉子盤由一種材料制成，而葉片是由另外一種材料制成的。如圖HPC轉子60可以是混合雙合金整體葉片轉子（IBR），其中葉片64由一種類型的材料制成，轉子盤66由不同的材料制成。
雙金屬結構提供了分別滿足不同溫度要求的材料能力。葉片64可以由單晶鎳合金制成，轉子盤66由不同的材料制成，例如擠壓的坯料鎳合金。而葉片64通過線性摩擦焊接連接或通過增材制造技術連接到轉子盤66上。此外，葉片可以經受第一類熱處理而轉子盤66經受不同的熱處理。
根據3D科學谷的市場研究，通過3D打印過程將兩種材料分散熔合在一起，兩種材料內部晶粒產生粘結，使得任何硬質過渡都被消除，從而零件不會在巨大的壓力和溫度梯度變化下發生斷裂情況。這為不同材料制成的組件提供了很高的接頭強度。
展開 全新體驗的Fluent Meshing | 在燃氣渦輪中的應用
針對上述挑戰，Ansys在2019年推出了基于單個操作流程界面的全新高效網格劃分工具Ansys Fluent Meshing，該網格劃分工具包含了最新的Mosaic多面體網格且可進行自動網格劃分，特別適合于包含復雜冷卻流道的氣冷燃氣渦輪葉片的網格劃分和前處理。基于Ansys SCDM幾何前處理工具和Ansys Fluent Meshing網格劃分工具可完美應對復雜氣冷燃氣渦輪幾何前處理和高質量網格劃分的挑戰！
1、基于Ansys SCDM進行幾何前處理
在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：
幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件干涉等進行修復得到修復后的實體模型，效率遠高于傳統CAD軟件。
幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇后一鍵式進行簡化。
內冷卻流道抽取：氣冷渦輪葉片一般包含復雜的內冷卻流道，使用SCDM的Extract Volume功能可一鍵對其進行抽取，并與原固體葉片進行拓撲共享創建流固交界面，精度和效率都遠高于使用布爾運算進行前處理的傳統CAD軟件。
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全新體驗的Fluent Meshing | 在燃氣渦輪中的應用
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Ansys Fluent Mosaic Meshing for CFD Simulations
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基于Ansys SCDM進行幾何前處理
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幾何結構修復：SCDM可一鍵對缺失面、部件干涉等進行修復得到修復后的實體模型，效率遠高于傳統CAD軟件。
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Ansys Fluent Mosaic Meshing for CFD Simulations
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基于Ansys SCDM進行幾何前處理
在正式的網格劃分之前需要對渦輪葉片進行幾何前處理，主要包括以下環節：
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幾何細節簡化：在氣冷渦輪葉片CFD仿真之前一般會對計算結果影響較小的倒圓、小孔、臺階等結構進行簡化，SCDM可對上述細節進行批量選擇后一鍵式進行簡化。
展開 案例分享 | 燃氣輪機渦輪的優化、魯棒性和可靠性方法研究
本文旨在介紹燃氣輪機高壓渦輪的優化設計方法，為減少計算量，采用了簡化的軸對稱2D模型。優化目標是降低渦輪的重量的同時延長其使用壽命，優化過程中首先開展敏感性研究，以確定與多目標優化最相關的幾何結構參數。優化結果是得到一個帕累托前沿分布曲線，將其用于后續的可靠性分析和優化設計。
在航空工業工程領域中，優化、魯棒性和可靠性分析的重要性與日俱增。本文將先介紹優化過程，然后分析改變輸入參數所造成的影響，借助虛擬、簡化的高壓燃氣渦輪模型演示這些方法的應用。
工程應用介紹
本文的工程對象是燃氣輪機/航空發動機，類似民用飛機通常使用的推進系統。該發動機由三大核心部分組成：壓氣機、燃燒室和渦輪。渦輪提供動力來驅動壓氣機和驅動部件，它通過降低燃燒系統排放的高溫氣體的壓力和溫度，以產生驅動扭矩。渦輪可以由多級組成，每級使用一組固定噴嘴導流葉片和一組旋轉葉片。這些葉片由渦輪支撐，高壓渦輪就是本文介紹的應用對象（圖1）。
展開 看UTC如何將3D打印用于管道式換熱器系統
其實3D打印的應用，除了讓發動機提高散熱效率的葉片3D打印技術，在燃氣渦輪發動機部件的冷卻方面，3D打印的應用越來越深入，在這方面，UTC等公司正在領跑行業應用發展。
根據3D科學谷的市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印點陣結構應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
來源：3D科學谷
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
TURBINE TECH 2023 | Cadence 詮釋渦輪機械應用先進 CFD 技術
5 月 25-26 日，以“匯聚全球目光，助力零碳排放”為主題的 2023 國際渦輪技術大會（TURBINETECH 2023）在上海成功舉行。大會秉持推動航空及燃氣渦輪行業邁向更加高效清潔未來的愿景，專注未來航空及燃氣渦輪行業進步的戰略目標——領先的航空及燃氣渦輪動力系統，持續推動航空及燃氣渦輪行業去碳化發展。
本屆大會有超過 600 位杰出行業代表齊聚上海，與來自全球優秀的航空和燃氣渦輪領域的從業者匯聚一堂，共同探討未來十年行業發展新未來。
演講時刻
在 2023 國際渦輪技術大會上，Cadence（楷登）產品群總監 Yannick Baux 發表了主題為《應用于渦輪機械行業中的先進 CFD 技術》的精彩演講。他表示，Cadence? Fidelity? CFD（計算流體力學）是新一代高性能、高精度、多物理場仿真軟件平臺，適用于渦輪機械、航空航天、汽車、船舶等多個垂直領域。
Fidelity CFD 軟件引入了具有高階數值、尺度解析仿真和大規模硬件加速的下一代流求解器，可提高仿真性能并加快周轉時間，且不會降低精度。其渦輪機械解決方案涵蓋 U-RANSRANS 流量仿真、非結構化網格、多塊結構化網格、高保真度仿真、結構分析、初步設計、設計優化等多種方法。
展開 羅羅公布未來飛行器 | 電動+垂直起降+多功能
該概念設計基于羅羅在火車艦艇用油電混合動力系統積累的經驗，以及他們在燃氣渦輪、垂直起降技術、系統分析以及航空法規和認證領域的專長，是羅羅技術創新和系統整合能力的例證。
EVTOL概念飛行器通過燃氣渦輪技術發電，為六臺特別設計的低噪電動推進器提供動力。該飛行器還配備儲能電池。采用混合EVTOL配置，可以承載四到五人，以每小時最高達250英里的速度不間斷飛行約500英里，期間電池通過燃氣渦輪進行充電，能夠利用停機坪和常規機場等現有設施。
飛行器的機翼能夠旋轉90度，從而實現垂直起降。一旦上升至巡航高度，機翼上的推進螺旋槳可以折起，以降低阻力和機艙噪音。之后飛行器依靠兩臺后側推進螺旋槳提供推力。
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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 世界航空強國" 高空臺"概述及21世紀中國" 高空臺" 建設計劃
影晌發動機穩定因素很多，但壓力、溫度崎變影響發動機穩定性較強，國外在50 年代就開始進行壓力、溫度崎變的研究，并建有相應的試驗臺和標準，如美國的ARP1420 和AIR1419 燃氣禍渦輪協發動機進口流場畸變評定指南，英國的DEF STAN00-971《飛機燃氣渦輪發動機通用規范》，俄羅斯的《航空動力裝置穩定裕度的選擇和檢查指南》等。
我國在80 年代初期開始進行了發動機穩定性研究，掌握了進口壓力畸變板、疇變網、峭變發生器、擂板式壓力畸變裝置研制技術，走過了從模型--1:1--型號試驗的過程，并在WP13AII、WP-14, FWS-10 型號上成功運用。90 年代開始溫度崎變發生器的研制，全套引進俄羅期規范,建立自己的溫度畸變發生器并調試成功。根據型號發展，要完成溫度壓力的組合畸變，仍然不能滿足要求。因此要對現有溫度畸變發生器進行改造,建立自己的穩定性評定試驗設備。
全溫全壓全尺寸壓氣機試驗臺
作為發動機的主要部件，壓氣機向高轉速、大功率、高壓比方向發展，以減小耗油率，增加有效負載，提高經濟性。現代民機的壓氣機總壓20-40，軍機的發動機總壓比20-35, 對發動機的部件研制試驗臺要求越來越高。國外在60 年代就建有全溫全壓壓氣機試驗臺，如英國國家燃氣渦輪研究院的壓氣機試驗設備，因此，有必要在利用現有氣源的基礎上，建設全溫全壓全尺寸壓氣機試驗臺。
高溫高壓全尺寸渦輪試驗臺
渦輪部件是發動機的三大部件之一，始終處于最惡劣的環境—高溫、高轉速，也是發動機最容易出現問題的部件。英國國家燃氣渦輪研究院在60 年代就建有25000 馬力的渦輪試驗器。我國70 年代在燃氣渦輪研究院建有國內最大的渦輪綜合試驗器，最大功率為3697.2 馬力，進氣溫度383K-783K，進氣總壓不大于0.5MPa，πt 不大于12，因此。
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
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。
小突起，大作用
這種新型渦輪轉子葉片的設計目的是提供有效的近壁冷卻，應當理解，近壁冷卻是有利的，因為冷卻空氣緊鄰翼型的熱外表面，并且由于通過限制通過窄通道的流動而實現的高流速，所產生的傳熱系數很高。 然而，由于翼型內經歷的不同水平的熱膨脹，這最終可能縮短轉子葉片的壽命。
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.
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