透平气冷叶片低应力分析方法及系统

本发明属于能源动力，具体涉及涡轮设计。

背景技术：

1、随着发动机性能要求的不断提高，核心机涡轮入口温度不断攀升，这对现有冷却方案提出了巨大挑战。高工作环境温度容易导致金属材料性能下降和烧蚀问题，不合理的冷却布局和温度梯度过大会导致叶片承受极高的热应力，而涡轮叶片的寿命评估和安全可靠性预测都依赖于准确模拟叶片的温度和热应力分布。

2、目前涡轮内多场耦合问题的分类方式和方法比较多，分类的结果也比较多，主要从各物理场之间的相互作用以及各物理场的性质、数值计算角度、耦合所发生区域、力学性质等角度进行分类。

3、场耦合问题包含多种物理场间的相互作用，在叶轮机械中主要包含下面几种场间耦合：流体运动与温度场相互作用的流-热(气热)耦合，流体运动与固体应力(气弹)应变相互作用的流-固耦合，温度场与变形相互作用的热-结构(热弹)耦合，流场、温度场和结构位移相互作用的气、热、弹耦合。与流-热耦合相对应发展起来新的边缘性学科称为热流体学。与热-结构耦合相对应发展起来的边缘性学科有热弹性力学等。与流-固耦合相对应发展起来的学科有振荡流体力学、气动弹性力学等。

4、从数值计算角度来看，根据各物理场之间的耦合程度的强弱，有两种耦合方程求解方案，一种是强耦合求解，另一种是弱耦合求解。

5、以气热耦合为例，强耦合是指流体速度场与固体场相互作用很强，只有同时求解方程组的各类方程，才能获得足够精度的温度、速度和压力。弱耦合解法则采用每个增量步内交替求解温度场和流场方程，先求速度，后算温度。由于计算速度场时不包含热传导方程，而计算温度场时又不考虑流场方程，从而大大加快了计算速度。

6、强耦合解法与弱耦合解法的优缺点都很鲜明，强耦合解法较为稳定，但计算费用也高；而弱耦合解法对计算机硬件要求低、计算效率高，但有时可能难以得到收敛解。

7、根据耦合所发生的区域可以把耦合分为边界耦合和域耦合，相互耦合的两场分别在两个区域上，相互的耦合作用力通过两个域之间的公共面来完成的这种耦合叫做边界耦合，气热耦合、气弹耦合、气热弹耦合属于边界耦合；类似的，相互耦合作用发生在同一个区域上，两场在区域内的任何位置任何点都相互关联、相互作用的耦合叫做域耦合，热弹耦合属于域耦合。以上从多学科交叉的角度对气、热、弹耦合问题进行了划分。

8、从力学性质角度来划分，气、热、弹多场耦合问题可以分为气动-热-弹性静力学问题和气动-热-弹性动力学问题；对于静力学问题，即认为作用于物体的外力(受力、温度载荷等)不随时间改变，或者变化的非常缓慢而可将其的惯性力忽略不计。

9、涡轮叶片在工作过程中，不仅要受到自身质量带来的离心载荷和高速燃气带来的气动载荷，而且还受到高温气体带来的温度载荷作用，受载环境相当复杂，环境相当恶劣，所以涡轮叶片的低应力分析也成为一大难题。

技术实现思路

1、本发明提出一种透平气冷叶片低应力分析方法及系统。

2、本发明提出的一种透平气冷叶片低应力分析方法包括：

3、导入叶片流体域的几何模型，对所述几何模型进行划分；

4、设置边界条件，包括主流入口的数据、主流出口的数据和冷气入口的数据，进行数值计算；

5、根据所述边界条件计算获得流固交界面的物理量，根据所述流固交界面的物理量，获取叶片的热应力分布和气动力分布；

6、根据涡轮转速加载离心力，根据叶片的热应力分布、气动力分布以及离心力，得到涡轮的应力应变分布，完成叶片的低应力分析。

7、更进一步地，提供优选方案：所述现有的三维单元包括：solid70三维实体热单元、surf152三维表面热效应单元、solid185三维固体结构单元。

8、更进一步地，提供优选方案：所述solid70三维实体热单元、solid185三维固体结构单元的节点为8个。

9、更进一步地，提供优选方案：所述主流入口的数据、主流出口的数据包括：主流入口的总温、总压，和主流出口的背压。

10、更进一步地，提供优选方案：所述冷气入口的数据包括：冷气入口的流量和温度。

11、更进一步地，提供优选方案：所述流固交界面的物理量包括：流固交界面的温度分布和气动力分布。

12、本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行上述任一项方案组合所述的透平气冷叶片低应力分析方法。

13、本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行上述任一项方案组合所述的透平气冷叶片低应力分析方法。

14、本发明还提出一种透平气冷叶片低应力分析系统，所述系统包括：

15、建模装置：用于导入叶片流体域的几何模型，生成结构网格，并进行划分；

16、采集装置：用于采集流体域主流入口、主流出口的数据和冷气入口的数据，作为边界条件；

17、计算装置：用于根据所述边界条件计算获得流固交界面的物理量；根据所述流固交界面的物理量，获取叶片的热应力分布和气动力分布；

18、分析装置：用于采集涡轮叶片的转速和离心力，根据所述转速和离心力得到涡轮叶片的应力应变分布，完成叶片的低应力分析。

19、本发明的有益效果：

20、本发明提出的透平气冷叶片低应力分析方法充分考虑了涡轮叶片在工作过程中，不仅要受到自身质量带来的离心载荷和高速燃气带来的气动载荷，而且还受到高温气体带来的温度载荷作用，受载环境相当复杂，环境相当恶劣等因素，结合离心载荷和温度载荷进行了分析，能够获得直观、清晰、准确的分析结果，并且计算费用可观，有很大的市场应用价值。

21、本发明适用于透平气冷叶片低应力多学科一体化设计场景。

技术特征：

1.透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，对所述几何模型进行划分，具体为：选用现有的三维单元对所述几何模型进行划分。

3.根据权利要求2所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述现有的三维单元包括：solid70三维实体热单元、surf152三维表面热效应单元、solid185三维固体结构单元。

4.根据权利要求2所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述三维单元的节点为8个。

5.根据权利要求1所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述主流入口的数据、主流出口的数据包括：主流入口的总温、总压，和主流出口的背压。

6.根据权利要求1所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述冷气入口的数据包括：冷气入口的流量和温度。

7.根据权利要求1所述的透平气冷叶片低应力分析方法，其特征在于，所述流固交界面的物理量包括：流固交界面的温度分布和气动力分布。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1-7中任一项所述的透平气冷叶片低应力分析方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行权利要求1-7中任一项所述的透平气冷叶片低应力分析方法。

10.透平气冷叶片低应力分析系统，其特征在于，所述系统包括：

技术总结透平气冷叶片低应力分析方法及系统，属于能源动力技术领域，解决在进行低应力计算时，强耦合解法计算费用高，弱耦合解法难以得到收敛解的问题。所述方法包括：导入叶片流体域的几何模型，对所述几何模型进行划分；设置边界条件，包括主流入口的数据、主流出口的数据和冷气入口的数据，进行数值计算；根据所述边界条件计算获得流固交界面的物理量，根据所述流固交界面的物理量，获取叶片的热应力分布和气动力分布；根据涡轮转速加载离心力，根据叶片的热应力分布、气动力分布以及离心力，得到涡轮的应力应变分布，完成叶片的低应力分析。本发明适用于透平气冷叶片低应力多学科一体化设计场景。技术研发人员：王松涛,温风波,蔡乐,王龙飞,赵智源受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1