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仿真技术在工业透平研发中的应用

2017/8/15    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:仿真技术  工业透平研发  
2017年8月4日,以“仿真驱动产品创新”为主题的2017年中国制造业仿真技术应用研讨会在杭州天元大厦成功召开。本文根据杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院副院长隋永枫在峰会上的发表的《仿真技术在工业透平研发中的应用》主题演讲整理而成。
    2017年8月4日,以“仿真驱动产品创新”为主题的2017年中国制造业仿真技术应用研讨会在杭州天元大厦成功召开。本文根据杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院副院长隋永枫在峰会上的发表的《仿真技术在工业透平研发中的应用》主题演讲整理而成。
 
杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院副院长 隋永枫
 
    杭州汽轮机股份有限公司工业透平研究院副院长 隋永枫
 
    1、公司及产品简介
 
    杭州汽轮机股份有限公司,创建于1958年,是全球最大的工业汽轮机制造和研发基地。
 
    70年代中期引进德国西门子公司工业汽轮机设计制造技术,又分别在20世纪八十年代和九十年代与西门子战略合作,成功实现了技术升级和换代。经过最近二十年,不断地创新,已成为国内工业汽轮机领域的顶尖企业。
 
    公司三大主营业务是:汽轮机、燃气轮机、军工核电产品,并广泛应用于石油、化工、冶金、电力、建材等工业部门和企业自备电站、区域热电联供、余热发电、垃圾电站、燃气-蒸汽联合循环等领域。
 
杭汽轮产品
 
图1 杭汽轮产品
    
    工业汽轮机技术复杂,涉及学科广包括热力、气动、强度、振动、材料、工艺、机械加工等;采用积木块系统和通流部分计算机优化进行设计,这种积木块原理可采用较少的基本积木块设计出较大功率范围的多种机型的工业汽轮机,完美解决个性化定制与标准化生产的矛盾。
 
    2、研发技术平台介绍
 
    对于工业汽轮机的研发,从70年代引进西门子的技术开始就有了长足的发展。杭汽轮的产品属于旋转机械,最重要部件是叶片。十多年来,我主要是基于工业汽轮机的叶片进行了研究,并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研发平台。  
 
    下面我将先简要回顾一下叶片气动设计技术与叶片强度振动技术的发展。
 
叶片气动设计技术发展回顾
 
图2 叶片气动设计技术发展回顾
  
    叶片气动设计技术发展可以总结为:
 
  • 透平机械设计理论从1970’s几乎停滞;

  • CFD技术推动了透平机械技术的发展;

  • 湍流模型、优化算法、计算机性能等;

  • CFD已经成为透平机械设计不可或缺的一部分。

叶片强度振动技术发展回顾


图3 叶片强度振动技术发展回顾
 
  • 叶片强度振动技术发展可以总结为:

  • 常规方法有一定的工程精度,目前仍广泛应用;

  • 有限元技术分析更加精准;

  • 有限元技术推动了透平机械技术的发展。
 
    基于杭汽轮的产品研发涉及到多学科,所建立的一体化研发技术平台包括“设计、分析、评估”一整套体系,CAE是很重要的一部分。
 
    表1 杭汽轮研发技术平台架构
 
杭汽轮研发技术平台架构
 
    从上表可以看出,杭汽轮的研发技术体系流程包括初始设计、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。通过这么多年的经验,我认为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,才能够对基于产品的设计以及工艺提出合理的建议,才能在产品研发的整个过程中有足够的话语权,与设计人员进行全方位无缝的沟通。
 
    对于低压级组扭叶片的开发,杭汽轮构建了工业汽轮机低压级组叶片气动设计及三维CFD分析体系,该体系通过自编程将公司已有叶型库和经验与三维气动、强度、振动等分析手段很好地结合起来,进行一维、二维和准三维的设计和优化,结构设计和优化,还可以方便地进行三维气动分析、强度振动分析和流固耦合分析,并构建了一个完整的叶片通流设计、优化、分析、校核体系。
 
    值得一提的是,低压扭叶片设计流程是工业汽轮机最难的开发流程,其中在流程的最后,对于部分三维造型以及三维优化以及性能优化,已应用了三维计算流体动力学和三维计算固体力学,为了保证计算结果的准确性,优化数据一方面来自于CAE分析,另一方面来自于2000年以前的实验结果(包括西门子)。
 
低压扭叶片设计流程图
 
图4 低压扭叶片设计流程图
 
 

责任编辑:李欢
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