涡轮机械的设计和维护仿真解决方案

本文原刊登于Ansys Blog：《Design and Maintain Turbomachinery Using Ansys Simulation Solutions》 

作者：Samir Rida

编辑整理：姚翔（Ansys中国流体产品线高级应用工程师）

无论是开发风扇、泵机、压缩机还是涡轮机，Ansys仿真软件都能帮助您快速进行迭代并改进设计。在制造和测试之前，仿真可提供关键指标的评估。这是一种可靠的方法，能够在降低研发成本的同时提高效率，从而加快产品上市进程。

Ansys仿真软件已在多个行业和应用中得到广泛验证。这些仿真工具可提供准确可靠的数据，大幅减少制造成本和测试时间。此外，Ansys仿真软件在开发时重视采用简化、直观的工作流程，让工程师有更多时间专注于关键设计决策。实际上Ansys旗舰产品与计算机辅助设计（CAD）和叶片设计工具无关，这为设计师使用Ansys合作伙伴提供的任何叶片设计工具提供了极大的灵活性。

当我们研究整个涡轮机解决方案时，仿真功能包括流体、热机械、结构以及利用Ansys旗舰产品的多物理场解决方案，例如Ansys Fluent、Ansys CFX、Ansys Mechanical、Ansys FENSAP-ICE和Ansys LS-DYNA等。在开始仿真和分析这些多物理场应用时，需要确保求解器之间准确高效的数据传输。我们的平台允许所有Ansys求解器准确高效地传输和映射数据，从而为空气力学、流固耦合、共轭热交换建模、外物损坏评估和叶片脱落（破裂）分析提供最可靠、最精准的多物理场仿真。

在燃气轮机和涡轮机械的设计中，Ansys可提供有组织的空气力学解决方案，运用CFX、Fluent和Mechanical预测叶片颤振、受迫响应、振动-声学和叶片频率失调。流体与结构之间的耦合采用循环对称模型和模态叠加实现，这有利于大幅加快仿真速度。计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）之间采用简化的空气力学工作流程并具备热冷映射功能，使设计人员能够专注于防止机器共振和避免非同步高周期疲劳的最佳方法，以缩短设计周期时间，并提高设计人员的工作效率。要想提高发动机效率，涡轮进气口的温度要高于材料的熔点。在空气动力学、热交换、应力和材料之间进行权衡，对于优化设计并避免由热机械疲劳、应力断裂或氧化造成的失效至关重要。为了验证材料和热障涂层的完整性并评估热部件组件的耐用性，设计师利用Ansys工具开展稳态和瞬态共轭传热（CHT）仿真。Ansys Fluent和Ansys CFX在一个并行的用户友好型网格划分平台上提供快速的求解方法，使CHT分析能够实际应用到任何生产环境中。因此，对具有内流道的转子叶片和静子叶片的共轭传热进行仿真已成为一种常规方法。设计师还能在概念和详细设计阶段应用气膜冷却模型方法，无缝映射冷却流的1D网络。

Ansys多物理场产品组合中的一个强大解决方案是，能够预测和防止因外物损坏或叶片脱落导致的引擎故障情况。  借助LS-DYNA，设计师能够根据法规要求预测鸟撞和叶片脱落损伤及其对发动机性能的影响。使用 Ansys显式动力学解决方案可以对风扇叶片脱落和飞鸟吸入事件进行建模。具体包含运用多种分析方法（拉格朗日有限元、任意拉格朗日欧拉、光滑粒子流体动力学）实现的多物理场仿真。LS-DYNA还支持涡轮叶片脱落和涡轮盘包容结构仿真。这些解决方案支持公认的叶片脱落和鸟撞认证要求。

为了实现能在广泛的工作条件下满足性能与合规要求的设计，Ansys提供了独特的功能以解决最前沿的物理问题。Ansys为设计师提供了能够准确预测复杂物理现象的工具，例如泵气蚀、风扇/压气机结冰、燃烧室-涡轮相互作用和风扇噪声背后的声学问题等。

采用Ansys FENSAP-ICE的结冰解决方案可以预测静态和旋转组件上的长时间结冰和冰块脱落问题。FENSAP-ICE能够帮助您在涡轮机械应用的简化工作流程中评估由于冰块脱落而造成的失衡和可能的损坏。该解决方案可支持公认的飞机发动机结冰认证要求（标准液滴、大尺寸过冷液滴和高空冰晶）。

了解气蚀开始发生所对应的泵机工作范围至关重要。CFX和Fluent中的高精度气蚀模型（例如Rayleigh-Plesset）与高级多相流和湍流模型相结合，有助于涡轮机械制造商准确预测泵机的极限工况，超过该极限就会发生气蚀并变得严重。

在设计具有优化冷却模式的长寿命燃气轮机转子叶片与静子叶片时，Ansys能够准确预测通过高压涡轮（HPT）级的热斑迁移。设计师可以对燃烧室和HPT的联合和/或协同仿真进行建模。使用高精度尺度求解湍流模型对具有共轭传热的燃烧室-涡轮叶片进行单次建模，以实现准确的热斑跟踪。  这有助于对转子叶片与静子叶片开展准确的热管理，并显著提高涡轮机的耐用性。

从快速简单的宽带噪声源建模到使用高级尺度求解湍流模型的最综合全面的计算气动声学（CAA），Ansys CFX和Fluent求解器可提供多种气动声学功能。

Ansys仿真在设计流程中无处不在，而且目前，Ansys仿真已扩展到制造、运营以及维护、维修与大修（MRO），从而使仿真在整个产品生命周期中普及，并反馈到设计流程中。利用增材制造有助于突破常规设计的极限，并为可制造性的设计解锁无限可能。

此外，通过构建降阶模型（ROM）来创建数字孪生，可以实现预测性维护，并帮助提升涡轮机械的性能与可靠性。利用相同的信息可以构建机器学习算法，并使用人工智能将知识和专业技术融入设计流程。Ansys在这个连续环路中提供了前沿工具，使设计工程师能够获得宝贵的数据和专业技术，从而可以及时做出明智的决策，以提高涡轮机的寿命、效率、总体系统性能和可靠性。

涡轮机械设计师不断面临的挑战是，确定影响最大的设计变量，并构建符合所有物理要求的可靠设计，同时最大限度减少缺陷数量和制造约束。Ansys optiSLang通过采用敏感度分析、优化和鲁棒性评估的高性能算法，提供了实现可靠设计的能力。它能自动识别采用设计变量表示性能变化的最佳元模型。该功能是在流程集成、链式数据流自动化、设计空间探索和不确定性量化无处不在的环境中实现的。下面的原理图展示的是离心式压缩机的流程集成和设计优化工作流程，显著提高了工程生产力和机器性能，同时将设计周期时间从一年多缩短至几周。

涡轮机械设计师需要根据材料及其属性做出大量决策。Ansys Granta提供了一种在整个企业范围内选择、共享和管理材料数据的有效方法。它可以描述复杂的材料属性，索引所有测试数据，并在整个产品生命周期内为所有工程师和分析师提供统一安全的认证材料信息源。Ansys Granta还能管理材料清单（BOM）中的合法物质。

Ansys Additive的综合解决方案涵盖整个工作流程，从增材制造设计（DfAM）到验证、打印设计、工艺仿真和材料探索。DfAM包括拓扑优化，能实现超大型零件的轻量化。这些轻量化零件可根据它们将遇到的现实条件进行虚拟测试，以评估其结构完整性。Ansys Additive Print可帮助构建基于物理的或基于几何结构的支撑。增材流程仿真能够预测零件形状、变形和应力，实现首次即可打印出正确零件。

涡轮机械的维护、维修和大修（MRO）费用非常高，并且在许多情况下，远高于原始机器的购买价格。因此，如果能够预测需要维护的时间，将给OEM厂商及其客户带来显著优势。Ansys可提供一系列能有效开展预测性维护的ROM功能。下图突出显示了Lufthansa Technik如何使用飞行数据和仿真构建现场ROM，从而预测关键燃气轮机发动机组件的故障。本案例中的仿真工作流程包括使用CFX和Mechanical进行气动热分析。Ansys optiSLang中的结构统计（SoS）技术可用于对选择性飞行数据开展敏感度研究，以构建现场元模型。这些现场ROM可实时准确预测温度、应力和应变，帮助评估关键发动机组件的剩余寿命。