本發(fā)明屬于船用汽輪機(jī)，具體涉及一種船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、船用核動(dòng)力汽輪機(jī)推進(jìn)裝置不斷向低噪聲、大功率、高安全性和高功率密度的方向發(fā)展，且經(jīng)常處于極端變工況運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)異常復(fù)雜，存在小容積流量導(dǎo)致脫流、回流，不穩(wěn)定流動(dòng)誘發(fā)汽流激勵(lì)以及部分級(jí)鼓風(fēng)耗功生熱等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，將直接導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片受力過(guò)大、顫振等不利影響。為此，開展汽輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性高精度計(jì)算，并對(duì)流固耦合作用機(jī)制進(jìn)行研究，是實(shí)現(xiàn)辨識(shí)汽輪機(jī)特殊工況穩(wěn)定運(yùn)行的邊界，確保汽輪機(jī)在極端變工況下安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

2、近年來(lái)國(guó)內(nèi)外愈發(fā)重視汽輪機(jī)在特殊工況下的流動(dòng)特性，當(dāng)運(yùn)行工況呈小流量，低負(fù)荷時(shí)流場(chǎng)將會(huì)變得十分復(fù)雜。目前主要通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)小流量工況下汽輪機(jī)的流動(dòng)特性進(jìn)行分析。在汽輪機(jī)末級(jí)小流量工況研究方面目前主要以三個(gè)方向?yàn)橹鳎簶O端情況下內(nèi)部蒸汽流動(dòng)特性的變化、由于多相流相變所產(chǎn)生的影響以及相應(yīng)性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，為汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力技術(shù)支撐。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法如下：

3、步驟一，依據(jù)給出的設(shè)計(jì)圖將包括汽輪機(jī)整機(jī)動(dòng)靜葉在內(nèi)的汽輪機(jī)葉柵通道作為整體，建立三維幾何模型及流場(chǎng)模型，對(duì)葉柵通道幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分；針對(duì)汽輪機(jī)特征工況下的邊界條件設(shè)計(jì)參數(shù)，確定入口流量、溫度、焓值和出口壓力作為邊界條件設(shè)計(jì)參數(shù)；

4、步驟二，將不同工況下工作參數(shù)分別設(shè)置為邊界條件，對(duì)葉片流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算和瞬態(tài)計(jì)算，得到從額定工況到無(wú)軸功輸出工況下的整機(jī)性能以及每一級(jí)的功率、效率、級(jí)后剛度、反動(dòng)度、焓降、壓力、軸向推力；同時(shí)設(shè)置約束邊界條件模擬葉片真實(shí)固定情況，對(duì)末級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算末級(jí)動(dòng)葉前n階模態(tài)，得出葉片的靜頻率和動(dòng)頻率；

5、步驟三，首先假設(shè)兩個(gè)工況之間焓降和功率的變化是線性的，按照過(guò)兩個(gè)點(diǎn)的直線來(lái)估計(jì)中間工況的值；通過(guò)對(duì)相鄰工況邊界條件線性插值逼近仿真，最終得到準(zhǔn)確的以降焓鼓風(fēng)為標(biāo)準(zhǔn)的末級(jí)葉片臨界失穩(wěn)容積流量閾值和準(zhǔn)確的以逆壓失速為標(biāo)準(zhǔn)的整機(jī)零功率流量閾值；

6、步驟四，將步驟二中瞬態(tài)計(jì)算得到的表面壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)作為載荷通過(guò)ansysworkbench流固耦合模塊導(dǎo)入葉片結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行機(jī)械分析，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)域進(jìn)行靜應(yīng)力計(jì)算和動(dòng)應(yīng)力單向流固耦合計(jì)算；

7、由于葉片表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布和位置并不一致，因此通過(guò)插值的方法從流體域壓力分布獲取固體域網(wǎng)格表面壓力，計(jì)算得到葉片的時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)與葉片模態(tài)頻率數(shù)據(jù)、振動(dòng)位移等數(shù)據(jù)；

8、步驟五，將汽輪機(jī)流道內(nèi)部的瞬態(tài)流場(chǎng)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)與葉片模態(tài)頻率數(shù)據(jù)、振動(dòng)位移等數(shù)據(jù)對(duì)比分析，判斷寬負(fù)荷變工況下的流動(dòng)穩(wěn)定性。

9、進(jìn)一步地，所述步驟一的具體過(guò)程為：根據(jù)每級(jí)葉片提供的多個(gè)截面的型線以及全周葉片數(shù)對(duì)葉片全周模型進(jìn)行建模，并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)葉柵通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分；同時(shí)，前緣和尾緣區(qū)域分別采用了對(duì)稱5星布局，網(wǎng)格塊均為四邊形；通過(guò)使貼近葉片的分塊的邊與葉片表面垂直，每一個(gè)塊的四個(gè)角趨近于90°的方法對(duì)網(wǎng)格區(qū)域分塊的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

10、進(jìn)一步地，所述步驟一中特征工況包括相同轉(zhuǎn)速不同汽耗量、相同汽耗量不同轉(zhuǎn)速在內(nèi)的典型工況。

11、進(jìn)一步地，所述步驟二中流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的具體過(guò)程為：根據(jù)實(shí)際情況，流場(chǎng)介質(zhì)設(shè)定為濕蒸汽水蒸汽和水的熱力學(xué)性質(zhì)采用iapws-if97公式組進(jìn)行描述，在進(jìn)行cfd穩(wěn)態(tài)計(jì)算中結(jié)合歐拉多相流模型與κ-ωsst湍流模型，實(shí)現(xiàn)從額定工況到無(wú)軸功輸出工況下的大范圍流場(chǎng)計(jì)算，獲得流場(chǎng)流線、蒸汽速度、濕度及內(nèi)部壓力狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述葉片內(nèi)流場(chǎng)的分布特征，包括單個(gè)級(jí)整圈葉片的出口壓力與速度、排汽室子午面速度矢量分布云圖，并將穩(wěn)態(tài)結(jié)果輸入為瞬態(tài)計(jì)算的初始文件，在求解n-s方程時(shí)引入κ-ωsst湍流模型，其湍流粘度的計(jì)算公式如下所示：

12、

13、式中：

14、

15、其中，ρ為流體密度，α1和β'為模型常數(shù)，κ為湍動(dòng)能，ω為比耗散率，y為壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)至壁面的距離，v是流體的分子運(yùn)動(dòng)粘度；

16、瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算：通過(guò)cfd瞬態(tài)計(jì)算，得到葉片流場(chǎng)瞬態(tài)結(jié)果，獲取葉片表面壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)。

17、進(jìn)一步地，所述步驟二中：基于葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型，以真實(shí)汽輪機(jī)葉片工作情況為約束條件，在葉片底部施加固定支撐，同時(shí)在葉根處設(shè)置位移約束條件，計(jì)算前n階模態(tài)的上線頻率。

18、進(jìn)一步地，所述步驟三的具體過(guò)程為：根據(jù)末級(jí)葉片功率和整機(jī)功率正負(fù)判斷鼓風(fēng)工況和零功率輸出工況分別所在的工況區(qū)間，通過(guò)對(duì)相鄰兩個(gè)工況入口流量進(jìn)行線性插值，逐步逼近末級(jí)葉片功率為零和整機(jī)功率為零的入口流量。其中葉片級(jí)功率公式如下所示：

19、

20、其中，τ為渦輪葉片扭矩；n為葉片轉(zhuǎn)速，即每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。

21、進(jìn)一步地，所述步驟四的具體過(guò)程為：利用葉片表面瞬態(tài)壓力場(chǎng)，作為蒸汽的氣動(dòng)力施加在固體葉片上，進(jìn)而分析壓力波動(dòng)對(duì)葉片應(yīng)力的影響。

22、進(jìn)一步地，所述步驟五中，選取等間距布置的四只葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的波動(dòng)情況；

23、汽輪機(jī)流道內(nèi)部的瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)據(jù)選取四個(gè)葉片表面、排汽室端面等汽流力隨時(shí)間變化曲線以及經(jīng)fft變換得到汽流激勵(lì)頻譜變化曲線。

24、進(jìn)一步地，所述步驟五中數(shù)據(jù)對(duì)比分析包括通過(guò)計(jì)算得到的葉片固有頻率f0與汽流激勵(lì)的低頻激振力fl、尾跡擾動(dòng)的高頻激振力fh比較，通過(guò)頻率避開率判斷葉片是否運(yùn)行穩(wěn)定，以確定葉片是否會(huì)發(fā)生共振，判斷葉片發(fā)生顫振的危險(xiǎn)程度；并分析葉片葉根前緣和尾緣變形和葉片最大位移δmax，通過(guò)葉片相對(duì)振幅a＝δmax/h的峰值及變化判斷葉片在氣流作用下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

25、頻率避開率＝(f0-f1)或(fh-f0)/f0

26、若(f0-f1)≮15％或(fh-f0)/f0≮15％則運(yùn)行穩(wěn)定，否則運(yùn)行不穩(wěn)定；

27、h為葉片最大位移為與葉片高度之比。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明精度高、效率高，能夠準(zhǔn)確的確定末級(jí)葉片臨界失穩(wěn)的流量閾值和整機(jī)零功率輸出的流量閾值，為汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力技術(shù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述評(píng)估方法如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟一的具體過(guò)程為：根據(jù)每級(jí)葉片提供的多個(gè)截面的型線以及全周葉片數(shù)對(duì)葉片全周模型進(jìn)行建模，并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)葉柵通道進(jìn)行網(wǎng)格劃分；同時(shí)，前緣和尾緣區(qū)域分別采用了對(duì)稱5星布局，網(wǎng)格塊均為四邊形；通過(guò)使貼近葉片的分塊的邊與葉片表面垂直，每一個(gè)塊的四個(gè)角趨近于90°的方法對(duì)網(wǎng)格區(qū)域分塊的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟一中特征工況包括相同轉(zhuǎn)速不同汽耗量、相同汽耗量不同轉(zhuǎn)速在內(nèi)的典型工況。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟二中流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的具體過(guò)程為：根據(jù)實(shí)際情況，流場(chǎng)介質(zhì)設(shè)定為濕蒸汽水蒸汽和水的熱力學(xué)性質(zhì)采用iapws-if97公式組進(jìn)行描述，在進(jìn)行cfd穩(wěn)態(tài)計(jì)算中結(jié)合歐拉多相流模型與κ-ωsst湍流模型，實(shí)現(xiàn)從額定工況到無(wú)軸功輸出工況下的大范圍流場(chǎng)計(jì)算，獲得流場(chǎng)流線、蒸汽速度、濕度及內(nèi)部壓力狀態(tài)參數(shù)來(lái)描述葉片內(nèi)流場(chǎng)的分布特征，包括單個(gè)級(jí)整圈葉片的出口壓力與速度、排汽室子午面速度矢量分布云圖，并將穩(wěn)態(tài)結(jié)果輸入為瞬態(tài)計(jì)算的初始文件，在求解n-s方程時(shí)引入κ-ωsst湍流模型，其湍流粘度的計(jì)算公式如下所示：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟二中：基于葉片結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型，以真實(shí)汽輪機(jī)葉片工作情況為約束條件，在葉片底部施加固定支撐，同時(shí)在葉根處設(shè)置位移約束條件，計(jì)算前n階模態(tài)的上線頻率。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟三的具體過(guò)程為：根據(jù)末級(jí)葉片功率和整機(jī)功率正負(fù)判斷鼓風(fēng)工況和零功率輸出工況分別所在的工況區(qū)間，通過(guò)對(duì)相鄰兩個(gè)工況入口流量進(jìn)行線性插值，逐步逼近末級(jí)葉片功率為零和整機(jī)功率為零的入口流量。其中葉片級(jí)功率公式如下所示：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟四的具體過(guò)程為：利用葉片表面瞬態(tài)壓力場(chǎng)，作為蒸汽的氣動(dòng)力施加在固體葉片上，進(jìn)而分析壓力波動(dòng)對(duì)葉片應(yīng)力的影響。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟五中，選取等間距布置的四只葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的波動(dòng)情況；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，其特征在于：所述步驟五中數(shù)據(jù)對(duì)比分析包括通過(guò)計(jì)算得到的葉片固有頻率f0與汽流激勵(lì)的低頻激振力fl、尾跡擾動(dòng)的高頻激振力fh比較，通過(guò)頻率避開率判斷葉片是否運(yùn)行穩(wěn)定，以確定葉片是否會(huì)發(fā)生共振，判斷葉片發(fā)生顫振的危險(xiǎn)程度；并分析葉片葉根前緣和尾緣變形和葉片最大位移δmax，通過(guò)葉片相對(duì)振幅a＝δmax/h的峰值及變化判斷葉片在氣流作用下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種船用汽輪機(jī)極端變工況的流動(dòng)穩(wěn)定性評(píng)估方法，建立三維幾何模型及流場(chǎng)模型，引入多層網(wǎng)格劃分技術(shù)，結(jié)合歐拉多相流模型與湍流模型，提出適用于汽輪機(jī)從額定工況到無(wú)軸功輸出工況下的內(nèi)部穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法；以汽輪機(jī)實(shí)際工況工作參數(shù)為邊界條件開展汽輪機(jī)變工況流場(chǎng)擾動(dòng)特性分析，揭示了極小流量工況汽輪機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)特性，并實(shí)現(xiàn)失穩(wěn)流量閾值和整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行功率流量閾值確定；基于高精度流場(chǎng)分布基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出汽輪機(jī)末級(jí)單向流固耦合計(jì)算方法及流程，計(jì)算得到了末級(jí)葉片關(guān)鍵部位的靜動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了末級(jí)葉片流致振動(dòng)激勵(lì)源識(shí)別與失穩(wěn)特性分析，完成了葉片顫振特性評(píng)估，為汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力技術(shù)支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：石宇昂,張磊,謝羅濤,尹路晗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15