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“革命”尚未成功,企业还需努力

2016/6/24    来源:e-works    作者:隋永枫  e-works郝秋红      
关键字:一体化设计平台  仿真技术  
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。公司已经建立了一个以叶片开发为中心涵盖工业汽轮机各个部件的企业型一体化设计平台,本平台不仅能够用于叶片通流设计和开发,还可以应用于工业汽轮机其他各部件的设计、分析和开发中。

    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。是国内工业汽轮机研究和生产重要基地,也是国内唯一能按用户的特殊需要,非标准设计制造工业汽轮机的厂家。

    公司于2006年开始接触ANSYS固体力学有限元软件以及CFX计算流体力学软件,ANSYS主要用于旋转机械的叶片、转子等部件的强度、气流弯应力的分析以及缸体强度校核、变形分析,CFX主要用于进行汽轮机工作中的气动计算,分析其流场分布、瞬态速度、汽流激振力等。除分析现有机组的特性外,还利用仿真软件进行相应的优化设计,使机组能够更好的满足用户的要求。

一体化设计平台助力企业研发

    一个产品的研发,是一个系统的工程,它涉及到多学科方方面面的内容,需要建立一整套的“设计、分析、评估”体系,这就需要建立一个能够容纳整个体系的技术平台,只有有了这样的一个平台,才能更好地利用设计数据库,才能更有效地提高技术开发的效率和能力。表1给出了开发平台体系的学科构架。

表1 开发平台体系的学科构架

表1 开发平台体系的学科构架

    目前,仿真软件已经成为公司研发过程中的必备手段,能有效提高机组的性能设计工作效率。例如在低压级组叶片开发过程中,对于初始设计更多地需要依靠已有的工程经验和行业内的快速设计方法,在此基础上发挥CAE技术的优势,进行全三维的结构设计、分析和优化。其中几何造型、结构设计优化和强度振动分析采用了Ansys-Bladegen、Ansys-Workbench和Ansys-Classic等商业软件,而流场的分析和优化以及流固耦合技术则采用了CFX及其子模块Turbosystem。通过对级组进行结构和气动的分析和优化,结合已有叶型库和行业内的强度、振动和安全性的评价准则,综合判断级组的安全性能。图1为以低压级组叶片为对象的开发体系具体流程图。

图1 低压级组叶片的开发体系具体流程图

图1 低压级组叶片的开发体系具体流程图

    以低压级组叶片为例详细介绍企业仿真技术的应用。图2和图3给出了杭州汽轮机股份有限公司某低压叶片级组的末级叶片的实体图和截面示意图,图4给出了各截面的相对位置示意图。应用Bladegen软件将叶型各截面进行参数化处理,可方便提取出叶片各截面的特性参数,图5给出了压力面吸力面方法拟和后的叶型,图6给出了各截面厚度沿叶高分布图,图7给出了叶型各截面中弧线示意图,图8给出了叶片各截面面积沿叶高的分布,图9给出了叶型各截面几何进口角和出口角沿叶高的分布。根据这些截面属性可以很好地把握叶型的强度振动和气动性能,为之后的叶片改型提供了依据。

图2 叶片实体图    图3 叶片截面示意图    图4 叶片各截面相对位置示意图

图2 叶片实体图    图3 叶片截面示意图    图4 叶片各截面相对位置示意图

图5 叶型表示形式(Bezier 曲线、背弧;Spline 曲线、内弧)

图5 叶型表示形式(Bezier 曲线、背弧;Spline 曲线、内弧)

图6 某末级叶片各截面厚沿叶高分布图    图7 某末级中弧线走向示意图

图6 某末级叶片各截面厚沿叶高分布图    图7 某末级中弧线走向示意图

图8 某末级叶片面积度沿叶高分布图    图9 某末级进口角出口角沿叶高分布图

图8 某末级叶片面积度沿叶高分布图    图9 某末级进口角出口角沿叶高分布图

图10 低压叶片级组的气动分析

图10 低压叶片级组的气动分析

    目前,公司已经建立了一个以叶片开发为中心涵盖工业汽轮机各个部件的企业型一体化设计平台,本平台不仅能够用于叶片通流设计和开发,还可以应用于工业汽轮机其他各部件的设计、分析和开发中。

仿真体系建设,还需继续努力

    在仿真软件使用过程中,也存在一些困惑难以解决。首先,这类软件都是通用软件,针对汽轮机、燃气轮机的功能不够完善,特殊问题很难通过软件的帮助文件来解决;其次,仿真人员对软件内核的理解较少、很多设置都是参考教程或其他已有的算例,对功能设置的原理、运行机制以及设置的原因不够了解,导致对复杂结构的计算结果不能得到100%的信任。

    企业在开展仿真应用的过程中,比较重视仿真知识的管理,包括仿真软件的使用、原理等经验知识的记录和传承,在一定的使用和开发经验基础上,计划建设完善的仿真流程管理体系并尽量集成各个学科,从而使各学科之间的数据交换、流通处于同一平台,从而减小数据传递过程中出现的误差和信息缺失。

    公司在人员、专业方面的建设是比较成功的,但对整个CAE仿真体系的建立还有一定的欠缺,主要有以下方面:首先对仿真数据的传递、管理工作缺少相关的经验;其次是对仿真知识虽有积累但没有完整搭建公司自有的知识传承体系;第三是计算资源有限,很多大型算例缺乏有效的方法进行计算,个人计算机的配置虽然有所提升但没有有效的形成联合计算平台。

    针对这些方面目前公司还是计划以充分、有效的利用现有计算资源,建立联合计算或云计算平台为基础,同时培养专人以加强公司整个CAE仿真流程的管理和数据传递,并在流程管理的过程中对存在的问题和解决方法进行记录并编写相应的解决手册,争取培养出既有深度又有广度的CAE仿真专家。

后记

    本文根据杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院隋永枫先生的采访内容整理而成。总体而言,大部分的企业侧重仿真技术的应用,对仿真体系建设有一定认识,也正在努力建设一个完整的体系,但体系的建设涉及到仿真数据管理、仿真流程管理、多学科集成、仿真模板建设、仿真知识管理、仿真云计算平台、仿真软硬件资源管理等诸多方面,建设过程毋庸置疑是艰难的。

    中国企业从引进仿真技术也已经获得了大量的技术积淀,具备了一定的仿真能力,相信随着仿真技术的发展,越来越多的企业会认识到仿真体系的重要性。

责任编辑:郝秋红
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