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企业设计仿真一体化应用案例

2015/12/22    来源:e-works    专家:隋永枫      
关键字:设计仿真一体化  
2015年12月3日,在e-works数字化企业网主办的“2015杭州PLM峰会”上,来自杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院隋永枫院长发表了题为《企业设计仿真一体化应用案例》的演讲。本文根据演讲内容整理而来,已经演讲者本人确认。

杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院院长 隋永枫

杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院院长 隋永枫

    一、公司及产品简介

    杭州汽轮机股份有限公司是我国最大的工业汽轮机制造公司,也是杭州最大的国企,已经生产了5000多台汽轮机,包括乙烯装置驱动裂解气压驱动压缩机,基本上国内的很多工业汽轮机制造产品都是我们公司生产的。我们的产品应用主要是在石化行业,和大家理解的发电用的汽轮机不大一样,我们的汽轮机主要应用石油、化工、冶金、电力、轻纺,它的基础原理和结构跟发电汽轮机都一样。驱动压缩机最重要的部分就是旋转部分,对汽轮机来讲,最重要的部分是旋转功能的叶片,我们公司生产的叶片最高转速可以将近2万转,它承受了很高的强度和振动方面的问题。由于这个汽轮机性能有一定的要求,所以效率要求非常高。通常来讲汽轮机效率要达到80到90,所以对汽轮机的核心部件,CLD性能分析和震动强度的分析,对整个汽轮机非常关键。如图1所示,是我们公司转速的功率范围,这就体现了我们公司这款产品的要求非常高,最高转速是15000转度,就体现了我们公司这款产品对固体有限元的要求非常严格,另外它的温度最高可以达到540度,所以这款产品核心叶片温度上的要求也是非常苛刻的。

转速的功率范围

图1 转速的功率范围

    我们公司的产品特点和现在提出的智能制造非常相像。由于我们的产品利用是在石油、化工、冶金方面,我们的每一款产品都应用在不同的厂家和不同的领域,每年大概要生产200多台,而每个厂家、每台机器提供的参数都不一样,就造成了我们的汽轮机都是个性化的设计。同样的设计平台,但是设计出的都是不同的、个性化的产品。这个怎么实现?实际上,在七八十年代引进了西门子金属块的思想,对气缸来讲,不同的汽轮机和不同行业的气缸长度都不一样,包括转子长度。很多结构都还非常相似,那么如何用一个比较共性的东西来满足个性化的设计,最后就出现了积木块技术,就像搭积木一样,比如说20块金属可以搭成一个房子,但也可以搭成一个大厅,也可以搭成一个楼房,这就是用共性的东西拼装成个性的东西,我们公司就是基于积木块技术的个性产品。通过统一的积木块平台,从西门子引进的时候,可以组装出280种工业汽轮机,现在通过我们的开发可以组装成620个汽轮机。也就是说通过积木块的设计方法,可以满足不同行业对汽轮机个性化性能的要求,实际上应该是上世纪七八十年代智能制造的概念。上个月,我听很多人讲,现在很多汽车和洗衣机可以定制颜色、定制容量,这跟我们公司的想法非常相像,生产的流水线都是一个,但通过不同的组装或者是一些修改,可以满足不同人的需求和对个性化产品的生产。

积木块技术演示

图2 积木块技术演示

    我们公司属于国内汽轮机的龙头企业,目前来讲,从58年建厂到改革开放三十年,国家重要的工业用的汽轮机都是我们厂制造的。图3 这是我们制造的百万乙烯装的汽轮机,图4 是百万全容量的汽轮机。图5 是近期十万等级空分装置汽轮机,这个汽轮机已经实验成功,还上了中央《新闻联播》。图6 是公司的产品分布,值得骄傲的是我们的产品不仅在亚非拉第三世界国家,也打进了欧美市场。相关的燃气轮机也在进行相关制造,目前已经有十几款产品了。

百万等级乙烯装置用机组

图3 百万等级乙烯装置用机组

百万全容量给水泵用汽轮机

图4 百万全容量给水泵用汽轮机

十万等级空分装置用机组

图5 十万等级空分装置用机组

公司汽轮机产品分布图

图6 公司汽轮机产品分布图

    二、一体化设计平台介绍

    汽轮机最主要的通流部分,一是通流的性能设计,另外是高转速产生对旋转部件强度、震动以及转子振动学的性能要求,我们进行了整体通流部分的一体化设计平台。ANSYS公司的侯经理介绍了CAE的仿真包括流、固、热、磁等一系列耦合分析,因为我们是工业汽轮机,也有旋转机械,旋转机械是综合学科,包括汽轮机、压轮机,我们有专用的设计软件,和传统的CAE、ANSYS不太一样。我们是基于行业内的软件进行快速的热力设计,达到初始通流设计。在此通流设计基础上,我们进行基于CAD三维参数化造型,在三维参数化的基础上会兼顾结构设计,有了结构设计之后可以进行强度振动分析,图7 是叶片及整圈强度振动。在强度振动初步计算之后,在热力设计基础上还要进行三维气动分析,如果都满足就可以了,不然进行反复的解带,通过振动以及性能的综合评估,评估所设计的汽轮机核心部分性能能否达标,疲劳振动、安全性是否满足实际工业要求。

 叶片及整圈强度振动

图7 叶片及整圈强度振动

    流程包括初始设计,包括行业的快速设计,以及三维优化和设计分析,最后是整体的安全性评估。如图8 所示这是我们建立的一体化流程的流程图,可以看到先通过行业的快速计算或者说由于已经有了非常多的经验,所以可以选择一些合适的母型,在母型的基础上进行修改,可以在很短的时间内拿到相对可靠的设计方案,在此基础上要进行强度以及性能评估,如果通过初评估,要进行进一步三维CAD几何造型并进行三维光化,最后进行三维流场分析优化,在流场分析优化之后,实际上还要进行结构设计、叶根选择、围带和阻尼形式的设计。通过这么多年的经验,CAE是一个工具,仅仅为设计者提供方向,最终CAE还是为设计服务,真正的CAE分析人员应该对自己所分析的产品有很深的了解。正因为有对产品的了解,才能基于这款产品的一些常用结构,包括阻尼形式,和如何建立一些特定叶根、围带形式保证建立强度,这样的话,可能对一个CAE人员或者以后在产品设计过程中话语权是更重要的。

一体化流程的流程图

图8 一体化流程的流程图

 

责任编辑:张瑾
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