一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，具体包括以下步骤：使用扫描仪对烧蚀后的实体模型进行逆向造型；提取烧蚀后叶片不同叶高型线；对涡轮流域进行网格划分；提取叶片发生热腐蚀后的表面粗糙度；将网格导入CFD系统设置边界条件；自定义燃气的物性参数；计算流场并得到流场数据。本发明专利技术在准确测量粗糙度值之后，可根据不同程度的粗糙度值，探究不同热腐蚀程度对涡轮性能的影响，在不需要筹备实验的情况下，在低成本的条件下得到一个数据库，通过这个数据库为涡轮叶片的设计、防护以及维修提供指导意义。防护以及维修提供指导意义。防护以及维修提供指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种燃气轮机涡轮性能的仿真方法的
，具体涉及一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法。

技术介绍

[0002]船用燃气轮机在工作时与航空发动机在飞机起飞，降落及低空飞行的过程中会不可避免的吸入含盐空气。当燃气轮机长期处于盐雾浓度很高的海洋工作环境时，叶片、轮毂以及机匣表面会附着含有腐蚀性的熔盐，氧化过程将会加速，这种现象叫热腐蚀。随着涡轮入口温度提高，燃气轮机的输出功率及热力循环效率随之提升，先进发动机为了追求高推重比与综合效率，涡轮进口温度被不断提升。然而燃料及空气中含有的杂质或者气流结构异常等会导致涡轮入口处温度分布不均匀，甚至会在局部生成最高温度是最低温度两倍左右的热斑。涡轮叶片上形成局部过热区，使涡轮叶片遭受巨大的热应力。涡轮若长时间受热斑影响，则必然会发生烧蚀现象。
[0003]烧蚀及热腐蚀会导致叶片表面结构的改变，从而改变进气角，增大泄露流量，增加湍流度，恶化涡轮内部流畅，进而降低涡轮效率及功率。综上所述，对涡轮叶片的烧蚀及热腐蚀的影响尤为重要。而目前没有数据能够为涡轮叶片的研发和维护修理提供参考建议，全部依赖于经验。因此需要一种更加科学的数据去参考，以提升整体行业的发展。
[0004]为解决上述问题，做出了一系列改进。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，以克服现有技术所存在的缺点和不足。
[0006]一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤一，使用扫描仪对烧蚀后的燃气轮机涡轮实体模型进行逆向造型，通过数字化、CAD模型建立及数据应用对模型进行复制，采用激光非接触式手持三维扫描仪对烧蚀后叶片进行扫描，对扫描后的数据进行修正，进而完成模型的重建；步骤二，提取烧蚀后叶片不同叶高型线，测量不同叶高处的型线前缘处的凹陷距离，以此作为叶片前缘因烧蚀而发生的叶片损伤值，其中在叶片顶部与根部的型线与直线的距离为0mm，对测量得到的叶片损伤的值进行拟合，并以该曲线作为烧蚀对叶片前缘造成的损伤；步骤三，对涡轮流域进行网格划分，根据步骤二中计算的损伤值修改原始模型文件，并将文件进行划分网格，根据湍流模型及y+值计算第一层网格高度；步骤四，提取叶片发生热腐蚀后的表面粗糙度，测量叶片压力面及吸力面粗糙度，绘制粗糙度值与弦长的散点图，将散点图拟合得到拟合曲线，并根据该拟合曲线得到一系列散点；步骤五，将步骤三的网格导入CFD系统并设置边界条件，将进口设置为总压进口
P1，出口设置为静压出口P2；壁面设置为无滑移的粗糙壁面，设置粗糙度的拟合曲线并将步骤四得到的散点写入拟合曲线模块中，进而模拟真实叶片的粗糙度；对各级动叶设置转速；步骤六，自定义燃气的物性参数，设置燃气的物性拟合曲线，拟合曲线的参数中，Cp为比热，t为燃气温度；步骤七，计算流场并得到流场数据。
[0007]进一步，所述步骤一中，所述逆向造型是指缺少图纸及模型设计参数的条件下对模型进行复制的过程，包括：根据实物得到数字化、CAD模型及部分数据应用模块，所述逆向造型的操作流程包括：数据测量、数据处理、模型建立及数据应用，所述数据测量是通过扫描设备对模型表面进行测量，得到模型的基础数据，所述数据处理是获得扫描数据后根据具体操作除去在扫描过程中因环境等因素造成的误差点，并对测量数据进行修正，所述模型建立是根据处理后的数据进行三维模型重建，所述数据应用是在完成模型建立后根据需求对模型进行修复、再设计工作。
[0008]进一步，所述步骤二中，对于叶片模型，在发生烧蚀前其前缘为一条直线，链接叶顶与叶根处的两点做前缘直线，以该直线为法线，在相隔5%的不同叶高处做平面与叶片相交得到平面与叶片的相交线，并测量提取该前缘型线；测量不同叶高处的形线前缘处与直线间的距离，并以此作为叶片前缘因烧蚀而发生的叶片损伤值，其中在叶片顶部与根部的型线与直线的距离为0mm；对测量得到的叶片损伤的值进行拟合，得到无量纲坐标系下不同相对叶高处的损伤的值曲线，以该曲线作为烧蚀对叶片前缘造成的损失，并将截面线以点集的形式导出，根据所得的点集修改原始模型文件，并导入Autogrid5/IGG中并进行网格划分。
[0009]进一步，对于不同烧蚀程度的叶片，通过步骤一和步骤二获得不同烧蚀程度的叶片模型，进而通过修改坐标值获得不同烧蚀程度下的模型文件，从而作为研究不同烧蚀程度对涡轮性能的影响的材料。
[0010]进一步，所述步骤四中，使用多项式拟合得到拟合曲线，保证拟合的精确度；得到拟合曲线后，在弦长区间内均匀的取3600个点，来描述曲线的波动。
[0011]进一步，所述步骤五中，粗糙度值是关于弦长方向的坐标值及旋转轴方向，选取Z轴作为旋转轴，因此粗糙度值是Z轴坐标的函数关系，用Ks代表粗糙度的拟合曲线，故自定义的形式应为Ks(Z)，再将步骤四得到的散点写入到Ks(Z)中。
[0012]进一步，所述步骤六中，燃气的物性拟合曲线Cp(t)中，Cp为比热，t为燃气温度，根据涡轮叶片的工作温度选取温度范围为100K~2000K，以100K为间隔，在该温度区间内输入20个比热值，计算过程中会根据输入的点拟合曲线得到当前温度下的比热值并参与计算。
[0013]进一步，在不同的热腐蚀程度及烧蚀程度下，可通过改变出口背压来计算不同工况下，涡轮效率、涡轮功率、总温比、膨胀比和流量涡轮性能参数的变化，来探究热腐蚀程度及烧蚀在涡轮不同工况下的影响，并建立不同热腐蚀程度，不同烧蚀程度，不同工况下各气动参数数据库。
[0014]本专利技术的有益效果：本专利技术在准确测量粗糙度值之后，可根据不同程度的粗糙度值，探究不同热腐蚀程度对涡轮性能的影响，在不需要筹备实验的情况下，在低成本的条件下得到一个数据库，通过这个数据库为涡轮叶片的设计、防护以及维修提供指导意义。
附图说明
[0015]图1 本专利技术所用案例的某型号涡轮前两级叶片三维模型图。
[0016]图2为本专利技术步骤一的逆向工程流程图。
[0017]图3为叶片烧蚀数据提取示意图。
[0018]图4为烧蚀部分网格示意图。
[0019]图5不同粗糙度值与弦长的关系曲线。
具体实施方式
[0020]以下结合具体实施例，对本专利技术作进一步说明，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限定本专利技术的范围。
[0021]实施例1图 1 本专利技术所用案例的某型号涡轮前两级叶片三维模型图。图2为本专利技术步骤一的逆向工程流程图。图3为叶片烧蚀数据提取示意图。图4为烧蚀部分网格示意图。图5不同粗糙度值与弦长的关系曲线。
[0022]一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，包括以下步骤：步骤一，使用扫描仪对烧蚀后的燃气轮机涡轮实体模型进行逆向造型，通过数字化、CAD模型建立及数据应用对模型进行复制，采用激光非接触式手持三维扫描仪对烧蚀后叶片进行扫描，对扫描后的数据进行修正，进而完成模型的重建；步骤二，提取烧蚀后叶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，使用扫描仪对烧蚀后的燃气轮机涡轮实体模型进行逆向造型，通过数字化、CAD模型建立及数据应用对模型进行复制，采用激光非接触式手持三维扫描仪对烧蚀后叶片进行扫描，对扫描后的数据进行修正，进而完成模型的重建；步骤二，提取烧蚀后叶片不同叶高型线，测量不同叶高处的型线前缘处的凹陷距离，以此作为叶片前缘因烧蚀而发生的叶片损伤值，其中在叶片顶部与根部的型线与直线的距离为0mm，对测量得到的叶片损伤的值进行拟合，并以该曲线作为烧蚀对叶片前缘造成的损伤；步骤三，对涡轮流域进行网格划分，根据步骤二中计算的损伤值修改原始模型文件，并将文件进行划分网格，根据湍流模型及y+值计算第一层网格高度；步骤四，提取叶片发生热腐蚀后的表面粗糙度，测量叶片压力面及吸力面粗糙度，绘制粗糙度值与弦长的散点图，将散点图拟合得到拟合曲线，并根据该拟合曲线得到一系列散点；步骤五，将步骤三的网格导入CFD系统并设置边界条件，将进口设置为总压进口P1，出口设置为静压出口P2；壁面设置为无滑移的粗糙壁面，设置粗糙度的拟合曲线并将步骤四得到的散点写入拟合曲线模块中，进而模拟真实叶片的粗糙度；对各级动叶设置转速；步骤六，自定义燃气的物性参数，设置燃气的物性拟合曲线，拟合曲线的参数中，Cp为比热，t为燃气温度；步骤七，计算流场并得到流场数据。2.根据权利要求1所述的一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，其特征在于：所述步骤一中，所述逆向造型是指缺少图纸及模型设计参数的条件下对模型进行复制的过程，包括：根据实物得到数字化、CAD模型及部分数据应用模块，所述逆向造型的操作流程包括：数据测量、数据处理、模型建立及数据应用，所述数据测量是通过扫描设备对模型表面进行测量，得到模型的基础数据，所述数据处理是获得扫描数据后根据具体操作除去在扫描过程中因环境等因素造成的误差点，并对测量数据进行修正，所述模型建立是根据处理后的数据进行三维模型重建，所述数据应用是在完成模型建立后根据需求对模型进行修复、再设计工作。3.根据权利要求1所述的一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法，其特征在于：所述步骤二中，对于叶片模型，在发生烧蚀前其前缘为一条直线，链接叶顶与叶根处...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳华，于昕加，胡庆森，王萌，王忠义，马晓红，李翔宇，陈鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：