用于预测涡轮机性能的方法技术

用于预测压气机(14)性能的计算机实现的方法，压气机(14)包括至少一个叶片级(48)和至少一个导叶级(46)，该方法包括以下步骤：对CFD气体路径(120)建模，将叶片和导叶建模为非绝热固体，构建转子的模型，转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，构建定子(150)的模型，定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对间提供热交换链路，以及对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻定子固体域的相应对之间提供热交换链路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于预测涡轮机性能的方法
本专利技术涉及用于通过共轭传热计算来预测压气机性能的计算机实现的方法。本专利技术还涉及制造压气机的方法，该方法包括用于预测压气机性能的初始计算机实现步骤。
技术介绍
在使用CFD(“计算流体动力学”)对典型压气机进行性能评估期间，将例如叶片、导叶、壳体和轮毂的固体表面边界建模为绝热是已知的，计算域仅包括流体。然而，在实际中，存在通过上述固体表面发生的一些热传递。如果建模，在其他数值误差保持相同的情况下，与通过CFD计算(其中固体边界被建模为绝热)预测的流体温度相比，这样的热传递会导致不同的、通常更小的平均流体温度。因此固体表面更精确并且非绝热的建模可以导致更高的预测效率和现实级匹配。一种可能的先进的方法被称为共轭传热(CHT)方法，通过该方法，计算域被扩展至固体区域。分别针对两个涡轮，这种方法的两个实现在VonKarman流体力学研究所T.Verstraete、Z.Alsalihi和R.A.VandenBraembussche的“AConjugateHeatTransferMethodAppliedToTurbomachinery”中被公开。在这个文档中描述的方法基于两个代码的耦合：用于流体域中流动的非绝热Navier-Stokes(NS)求解程序和在涡轮的固体部分中用于热传导的有限元分析(FEA)。由边界条件的迭代调整获得NS和FEA模型的共同边界处的温度和热通量的连续性。共同边界处的不重合网格需要插值来从一个模型网格向另一个模型网格传递边界条件，并且需要迭代过程，以在NS和FEA计算域的共同边界处获得相同的温度和热通量分布。上文描述的方法允许针对所提出的示例达到精确的结果，但是特别是当上述方法应用到压气机时，可以被显著的改进。该方法实际上不考虑：–壳体以及因此壳体和周围环境之间的热传递；–壳体顶部上的固定的流体域，以考虑壳体和周围环境之间的热传递；–具有不同物理性质的相邻元件(例如，壳体、转子和壳体顶部上的固定的流体域的相邻元件)的模型之间的界面，以考虑分别归因于压气机的不同转动级或者固定级的叶片或导叶数量的差而导致的其周向范围中的差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于预测压气机性能的计算机实现的方法，该方法改进相同类型的现有方法，从而提供压气机的部件的更真实的建模，因此实现更真实的性能预测。本专利技术的另外的目的可以是提供用于压气机的制造方法，该方法包括基于上文引用的计算机实现的方法的结果来制造压气机的转动和/或固定部件的步骤。为了实现上文限定的目的，提供了根据独立权利要求的计算机实现的方法和制造方法。从属权利要求描述了本专利技术的有利开发和修改。根据本专利技术的第一方面，提供了用于预测压气机性能的计算机实现的方法，该压气机包括至少一个叶片级和至少一个导叶级。该方法包括下列步骤：–对CFD气体路径建模，CFD气体路径包括：–压气机入口通道，–至少导叶流动部分，邻近于导叶流动部分的至少叶片流动部分，以及导叶流动部分和叶片流动部分间的混合平面，以及–压气机出口通道，–将导叶和叶片建模为非绝热固体，–构建转子的模型，转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域以及附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域，第一转子固体域和第二转子固体域彼此相邻并且被建模为非绝热，–构建定子的模型，定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域以及面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域，第一壳体固体域和第二壳体固体域彼此相邻并且被建模为非绝热，–对多个流体到固体的界面进行建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，–对一个或多个固体转子界面建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及–对一个或多个固体定子界面建模，每个固体定子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。本领域已知的是，用于描述压气机性能的模型仅考虑压气机围绕其旋转轴线的周向部分。然后将模型的周向范围视为旋转周期性的。有利地，在本专利技术中，壳体固体域之间的固体转子和定子界面考虑归因于叶片和导叶数量的差导致的其周向范围的差。根据本专利技术的可能的实施例，方法进一步包括构建壳体周围气体的固定流体模型的步骤，固定流体模型具有与壳体固体域接触的第一内边界，以及与第一边界相对的第二外边界，其中大气压力和温度条件被施加在第一边界上。有利地，在壳体的顶部上使用固定的流体域考虑系统和周围之间接近自然的热传递。根据本专利技术的一个可能的实施例，壳体周围气体的固定流体模型包括多个流体域，每一个流体域与相应的壳体固体域接触，一个或多个流体界面被建模，每个流体界面在相邻流体域的相应对之间提供热交换链路。类似于固体转子和定子界面，壳体顶部上固定的流体域之间的流体界面考虑归因于叶片和导叶数量的差而导致的其周向范围的差。根据本专利技术的另一可能的实施例，方法进一步包括步骤：–对压气机入口下游、压气机转子上游并且邻近于压气机转子的第一固定固体域建模，–提供上游固体转子界面，以用于提供转子和第一固定固体域之间的热交换链路，–将多个入口导向叶片建模为从第一固定固体域向第一壳体固体域径向延伸的非绝热固体，第一固定固体域和第一壳体固体域具有施加大气温度条件的相应上游边界。与转子相邻的第一固定固体域，以及通过表示入口导向叶片的非绝热固体连接到第一固定固体域的第一壳体固体域提供从入口条件到模型部分(包括转子)的方便的转换。根据本专利技术的另一可能的实施例，该方法进一步包括步骤：–对压气机转子下游、并且邻近于压气机转子的第二固定固体域建模，–提供下游固体转子界面，以用于提供转子和第二固定固体域之间的热交换链路，–将多个出口导叶建模为从第二固定固体到最终下游壳体固体域径向延伸的非绝热固体，–对压气机出口通道的最终部分建模，压气机出口通道的最终部分从出口导叶向被施加边界压力(特别是大气压力)的下游边界延伸一段长度。有利地，选择CFD气体路径的最终部分的长度L1，使得在CFD气体路径的最终下游边界处，已知的压力值(特别是大气压力(例如，当压气机未连接到下游涡轮时))被指定为压力边界条件。根据本专利技术的另一可能实施例，该方法进一步包括步骤：对下游固体转子界面的下游边界和最终下游壳体固体域的下游边界施加CFD气体路径的最终部分的最终边界的相同温度。有利地，这允许在模型的所有最终下游边界中施加相同的温度边界条件。根据本专利技术的另一方面，提供用于制造压气机的方法，该压气机包括压气机入口、具有多个叶片级的转子和具有多个导叶级的定子，制造方法包括用于制造转子、定子、叶片和导叶的多个步骤，压气机入口、转子、定子、叶片和导叶的尺寸和形状根据一个或多个前述权利要求所述的计算机实现的方法限定。附图说明从下文将要描述的实施例的示例，上述方面和本专利技术的进一步方面是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本专利技术，但本专利技术不限于这些实施例的示例。图1是包括压气机的燃气涡轮发动机的纵向截面图，可以利用本专利技术的方法来预测压气机的性能。图2示出了图1中的压气机的模型。具体实施方式图1以截面图示出了燃气涡轮发动机10的一个示例。燃气涡轮发动机10按照流动顺序包括：通常按照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于预测压气机(14)的性能的计算机实现的方法，所述压气机(14)包括至少一个叶片级(48)和至少一个导叶级(46)，所述方法包括步骤：‑对CFD气体路径(120)建模，所述CFD气体路径(120)包括：‑压气机入口通道(156)，‑至少一个导叶流动部分(146)、邻近于所述导叶流动部分的至少一个叶片流动部分(148)、以及在所述导叶流动部分和所述叶片流动部分之间的至少一个混合平面，以及‑压气机出口通道(157)，‑将所述导叶和所述叶片建模为非绝热固体，‑构建转子的模型，所述转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，所述第一转子固体域和所述第二转子固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，‑构建定子(150)的模型，所述定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，所述第一壳体固体域和所述第二壳体固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，‑对多个流体到固体的界面(270)建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，‑对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及‑对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.31 EP 14191325.11.一种用于预测压气机(14)的性能的计算机实现的方法，所述压气机(14)包括至少一个叶片级(48)和至少一个导叶级(46)，所述方法包括步骤：-对CFD气体路径(120)建模，所述CFD气体路径(120)包括：-压气机入口通道(156)，-至少一个导叶流动部分(146)、邻近于所述导叶流动部分的至少一个叶片流动部分(148)、以及在所述导叶流动部分和所述叶片流动部分之间的至少一个混合平面，以及-压气机出口通道(157)，-将所述导叶和所述叶片建模为非绝热固体，-构建转子的模型，所述转子的模型包括面对多个导叶非绝热固体的至少第一转子固体域(220a)和附接到多个叶片非绝热固体的至少第二多个转子固体域(220b)，所述第一转子固体域和所述第二转子固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，-构建定子(150)的模型，所述定子的模型包括附接到多个导叶非绝热固体的至少第一壳体固体域(240a)和面对多个叶片非绝热固体的至少第二壳体固体域(240b)，所述第一壳体固体域和所述第二壳体固体域彼此相邻，并且被建模为非绝热，-对多个流体到固体的界面(270)建模，每个流体到固体的转子界面在相应的叶片流动部分或导叶流动部分与径向相邻的转子固体域或壳体固体域之间提供热交换链路，-对一个或多个固体转子界面(230)建模，每个固体转子界面在相邻的转子固体域的相应对之间提供热交换链路，以及-对一个或多个固体定子界面(250)建模，每个固体转子界面在相邻的定子固体域的相应对之间提供热交换链路。2.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：构建所述壳体周围的空气的固定流体模型，所述固定流体模型具有与所述壳体固体域接触的第一内边界和与所述第一边界相对的第二外边界(300)，大气压力和温度条件被施加到所述第二外边界。3.根据权利要求2所述的计算机实现的方法，其中所述壳体周围的所述空气的所述固定流体模型包括多个流体域(280)，每个流体域(280)与相应的壳体固体域接触，对一个或多个流体界面(290)建模，每个流体界面在相邻的流体域(280)的相应对之间提供热交换链路。4.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：-对所述压气机入口通道(156)下游、所述压气机转子上游、并且邻近于所述压气机转子的第一固定固体域(221)建模，-提供上游固体转子界面(230)，以用于在所述转子和所述第一固定固体域(221)之间提供热交换链路，-将多个入口导向叶片建模为从所述第一固定固体域径向延伸到第一壳体固体域(240a)的非绝热固体，所述第一固定固体域和所述第一壳体固体域具有施加大气温度条件的相应上游边界(310、311)。5.根据权利要求1所述的计算机实现的方法，其中所述方法进一步包括步骤：-对在所述压气机转子下游、并且邻近于所述压气机转子的第二固定固体域(220)建模，-提供下游固体转子界面(230)，以用于在所述转子和所述第二固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·克里施纳巴布，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE