一种热腐蚀及烧蚀影响燃气轮机涡轮性能的仿真方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机涡轮性能的仿真方法的技术领域，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。

背景技术

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。

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。

为解决上述问题，做出了一系列改进。

发明内容

本发明的目的在于，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的有益效果：

本发明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

图1 本发明所用案例的某型号涡轮前两级叶片三维模型图。

图2为本发明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。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1

图 1 本发明所用案例的某型号涡轮前两级叶片三维模型图。图2为本发明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。

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。

如图1和2所示，本专利根据真实的发生热腐蚀及烧蚀的涡轮叶片，并利用逆向造型将烧蚀后的叶片外形进行捕捉，提取发生烧蚀位置的型线，进而对原模型进行修改，整个过程既兼顾了数值模拟的要求又最大化地还原了烧蚀后的叶片模型。在步骤一中，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，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，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，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，模型建立是根据处理后的数据进行三维模型重建，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。

如图3所示，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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的研究环境是在海洋盐雾下热腐蚀和烧蚀的影响，这并不是2个不同课题，因为燃气轮机涡轮在长期运行中，烧蚀和热腐蚀是同时出现的，不会出现仅发生烧蚀而不发生热腐蚀的情况，因此想研究烧蚀必须要带上热腐蚀，这两者是一个整体。

本发明的核心是步骤一和步骤二中，关于逆向造型，叶片烧蚀部分的型线的提取是本发明创新点。其计算公式则是现有技术的运用，而调取选择计算方式和计算的参数选择也同样是本发明的创新点。

在本实施中，首先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，逆向工程是在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。为逆向工程流程图，逆向工程分为数字化，CAD模型及数据应用三部分。本文中所采用的逆向工程为根据实物得到三维模型，即数字化、CAD模型及部分数据应用模块。根据逆向工程的操作流程，可以将其划分为数据测量、数据处理、模型建立及数据应用。数据测量即通过扫描设备对模型表面进行测量，得到模型的基础数据。数据处理即在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。模型建立即根据处理后的数据进行三维模型重建。数据应用即在完成模型建立后根据需求对模型进行修复、再设计等工作。综上，通过步骤一，我们还原了叶片原模型，也就是未发生烧蚀的完整模型的geomturbo格式文件，以便后续的数字化处理。

在步骤二中，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。其具体为，我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，因为叶片出现了损伤之后叶片前缘就不是完整的了，会出现类似掉块的现象，我需要做的就是把掉块的多少体量测量出来，然后把完整的叶片模型的geomturbo文件中，前缘位置的点进行修改，这样来模拟损伤。如图4所示，然后在步骤三中，对涡轮流域进行网格划分。在本实施例中，我们可以采用numeca软件中的autogrid5读取步骤一中的geomturbo格式的原始模型文件，这个文件其实就是叶片不同叶高处的叶片的型线，autogrid5可以根据这个型线得到叶片的模型，类似于solidwork中的放样功能。这个文件可以用记事本打开，也就是说，我可以将烧蚀后得到的散点写入这个文件中，对原文件的型线进行修改，修改后生成一个新的geomturbo文件，再导入autogrid5中，这样就得到了烧蚀后的叶片模型。本发明仅通过修改点坐标-改变型线-改变叶片模型，进而划分网格。

至此，我们解决这个仿真方法最核心的内容，还原初始模型以及如何在初始模型上添加损伤值，将一个被热腐蚀和烧蚀影响后的燃气轮机涡轮的数字模型化。而本实施例中的软件只是作为工具更加便利，即使换成其他种类的工具，亦不会影响他的计算效果。因此本发明的核心并不是这些软件的功能。

如图5所示，步骤四中开始，需要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。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。之后在步骤五中，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，其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。在步骤六中，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；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。这段步骤主要就是开始通过改变变量，来计算这些变量带给模型的影响，从而建立一个数据库。具体而言，在步骤五中，ansys中的cfx模块，在边界条件中的壁面粗糙度设置里可以人为的给出一条曲线，让粗糙度按照这条曲线的值变化，这条线是根据实际测量的叶片的粗糙度并得到一系列散点再用多项式拟合的，拟合之后，在这条拟合曲线上取了一些列的点写入cfx中，cfx模块会根据输入的点进行拟合。

同理，在步骤六中，通过修改物性参数，具体就是输出一系列点，cfx模块根据输入的点拟合一条曲线：燃气的物性拟合曲线Cp(t)。

具体在本实施例中，我们在cfx模块中添加新的材料并取名HPT GAS，然后在系统中将一系列点导入，其中横轴代表温度，纵轴代表比热，然后cfx模块会根据这一系列点拟合曲线并参与计算，得到一组函数解析式并命取为Cp(T)，Cp是函数值，T是自变量，再把这个函数带到系统比热容计算模块中，这样就完成了物性参数的定义。

所以，实际上整个计算步骤是通过系统实现，而这个系统并不是必须某一种软件，同样的功能不仅是现有技术，更是本领域常用的工具。因此其计算过程并不是本发明的创新点。

最后在步骤七则是计算流场并得到流场数据，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。

综上，逆向造型在工程技术领域应用很广泛，其原理并不是新的概念，但是用于研究涡轮叶片烧蚀的很少，目前该领域没有任何指导本发明研究的内容，因此该技术的运用的方案是一个全新的技术特征，具有重大的创造性。国内外对涡轮叶片烧蚀及热腐蚀的研究较少，尤其是针对烧蚀的研究，本专利结合了热腐蚀及烧蚀的共同作用，深入探究二者耦合情况下对涡轮气动性能的影响，为后续研究提供了一个全新的方法。

本发明的有益效果体现在：由于舰载机和船用燃气轮机的涡轮在海洋盐雾环境下极易发生烧蚀和热腐蚀，导致涡轮的性能急剧下降，研究烧蚀和热腐蚀对涡轮的影响是为了通过仿真得到其不同的损伤程度（热腐蚀程度/烧蚀程度）对涡轮性能的恶化规律，这也就是为什么我在最后一个权利要求提到了数据库的建立，因为功率，效率等参数都是表征涡轮性能的一部分，本发明通过仿真改变出口的背压来模拟不同工况，就可以得到同一个损伤程度下，不同工况下涡轮的性能，进而通过数据处理得到在不同工况下，热腐蚀和烧蚀谁的影响更大，这对于涡轮叶片的设计，防护以及维修具有指导意义。

以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。