(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211201728.1 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 哈电发电设备国家工程研究中心有 限公司 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市香坊区赣 水路222-3号 申请人 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 (72)发明人 关淳　张勇　马义良　赵洪羽　 梁天赋　郭魁俊　翁振宇　祝海义　 李宇峰　赫广迅　徐林峰　刘鑫　 余海鹏　孙嘉　薛海亮　潘劭平　 初世明　尉坤　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市晨晟知识产权代理 有限公司 23219 专利代理师 宫晓平(51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算系统 及其计算方法 (57)摘要 本发明涉及汽轮机超低负荷 叶片动应力三 维计算系统及其计算方法， 属于叶片动应力预测 技术领域。 解决的是超低负荷工况下的叶片动应 力计算的问题。 包括热力边界计算模块、 叶片三 维流场计算模块、 叶片有限元计算模块和叶片动 应力计算模块； 热力边界计算模块： 用于获得叶 片进出口流量、 总焓、 压力的热力数据， 为叶片三 维流场计算提供热力边界； 叶片三维流场计算模 块： 用于获得叶片稳态、 瞬态流场计算结果， 为叶 片结构场静应力和动应力计算提供输入数据； 叶 片有限元计算模块： 用于获得叶片静应力、 共振 频率的计算结果， 为叶片动应力计算提供输入数 据； 叶片动应力计算模块： 用于获得叶片动应力 计算结果， 为叶片动应力考核 模块提供数据。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115510713 A 2022.12.23 CN 115510713 A 1.汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算系统， 其特征在于： 包括热力边界计算模块、 叶 片三维流场计算模块、 叶片有限元计算模块和叶片动应力计算模块； 热力边界计算模块： 用于获得叶片进出口流量、 总焓、 压力的热力数据， 为叶片三维流 场计算提供热力边界； 叶片三维流场计算模块： 用于获得叶片稳态、 瞬态流场计算结果， 为叶片结构场静应力 和动应力计算 提供输入数据； 叶片三维流场计算模块包括： 叶片流场计算域建模模块(2.1)、 稳态流场计算模块 (2.2)和瞬态流场计算模块(2.3)； 叶片有限元计算模块： 用于获得叶片静应力、 共振频率的计算结果， 为叶片动 应力计算 提供输入数据； 叶片有限元计算模块包括： 叶片结构场计算域建模模块(3.1)、 叶片静应力计算模块 (3.2)和叶片共 振频率计算模块(3.3)； 叶片动应力计算模块： 用于获得叶片动应力计算结果， 为叶片动应力考核模块提供数 据。 2.根据权利要求1所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算系统， 其特征在于： 还包 括叶片动应力考核模块： 用于 评估和考核叶片动应力安全性， 指导叶片优化设计。 3.汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 采用权利要求2所述的汽轮 机超低负荷叶片动应力三维计算系统， 包括以下步骤： 步骤一： 热力边界计算； 采用热力边界计算模块模块， 针对目标叶片， 采用热力计算程 序获得汽轮机不同负荷条件下的叶片热力边界， 提取叶片入口流量、 总焓值、 出口压力和温 度值， 作为叶片三维流场计算的输入边界； 步骤二： 叶片三维流场计算； 采用叶片三维流场计算模块， 首先采用叶片流场计算域建 模模块(2.1)进行叶片流场计算域建模， 再次采用稳态 流场计算模块(2.2)进行叶片流场稳 态计算， 最后采用瞬态流场计算模块(2.3)进行叶片流场瞬态计算； 步骤三： 叶片有限元计算； 采用叶片有限元计算模块， 首先采用叶片结构场计算域建模 模块(3.1)进行叶片结构场计算域建模， 再次采用叶片静应力计算模块(3.2)进行叶片静应 力计算， 最后采用叶片共 振频率计算模块(3.3)进行叶片共 振频率计算； 步骤四： 叶片动应力计算， 采用叶片动应力计算模块。 4.根据权利要求2所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 叶片 热力边界包括5％、 10％、 15％、 20％、 25％、 3 0％的典型超低负荷工况点。 5.根据权利要求4所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 步骤 二中， 叶片流场计算域建模： 采用CFD 计算软件， 建立叶片三 维流场计算域模型， 对叶片进 行 网格划分， 网格节 点数量满足网格无关性要求， 计算域以静叶片入口为计算域进口， 给定进 口流量和总焓值， 以动叶片出 口为计算域出口， 给定出口压力和温度； 静叶计算域为静止， 动叶计算域为旋转， 旋转速度为汽轮机工作转速， 采用循环对称法模拟， 计算域工质采用水 蒸汽； 叶片流场稳态计算， 采用稳态CFD计算模式， 获得叶片热力边界的叶片流场稳态结果， 掌握流场分离、 脱流的分布特征， 并将稳态CFD 计算的结果文件作为瞬态流场计算的输入文 件， 将稳态CFD计算的叶片表面压力数据作为结构场有限元静应力计算的输入文件；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115510713 A 2叶片流场瞬态计算， 采用瞬态CFD计算模式， 瞬态计算过程中对叶片表面蒸汽压力进行 统计学参数计算， 获得叶片热力边界的叶片流场瞬态结果， 提取叶片表面各个节点的蒸汽 压力的均方差值， 编制动应力计算模块的激振力输入文件， 激振力输入文件格式为csv格 式， 共计四列数据， 前三列为节点在x、 y、 z三个方向的坐标， 第四列为蒸汽压力均方差值。 6.根据权利要求5所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 步骤 三中， 叶片结构场计算域建模： 采用有限元计算软件， 建立叶片结构场模型， 叶片结构场模 型包括叶片和轮槽(5)， 叶根(6)与轮槽(5)连接， 对叶片结构场模型进行网格划分， 计算域 包括叶片全部结构特点， 其结构特点包括叶片端部的围带(8)、 叶片中部的拉筋(7)、 叶片的 叶身和叶片端部的叶根(6)， 相邻围带(8)之间、 拉筋(7)之间设置摩 擦接触； 叶根(6)和轮槽 (5)之间设置摩擦基础， 采用循环对称法模拟， 轮槽为固定约束， 动叶片和 轮槽旋转速度为 汽轮机工作转速， 模拟离心力作用； 叶片静应力计算： 基于叶片结构场模型， 将稳态流场计算模块(2.2)的叶片流场稳态计 算的叶片表面压力结果作为静应力计算输入文件， 模拟蒸汽力作用， 计算叶片静应力， 获得 叶片静应力分布特 征， 将静应力计算结果作为叶片动应力考核模块的输入数据； 叶片共振频率计算： 基于叶片结构场模型， 计算叶片共振频率， 获得汽轮机工作转速下 前2阶的叶片共 振频率， 将共 振频率结果作为叶片动应力计算模块的输入。 7.根据权利要求6所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 叶片 结构场计算域建模： 对叶片结构场模型进行网格划分时， 在动叶片倒圆、 动叶片进出汽倒 圆、 轮槽倒圆处加密网格。 8.根据权利要求6所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 步骤 四中， 基于叶片结构场模 型， 以瞬态流场计算模块(2.3)的瞬态 流场计算的叶片表 面压力均 方差作为激振力输入文件， 以叶片共振频率计算模块(3.3)的叶片共振频率计算所计算出 的与工作转速距离最近的共振模态对应的共振频率作为输入文件， 计算叶片动应力， 获得 叶片动应力分布特 征， 将动应力计算结果作为叶片动应力考核模块的输入数据。 9.根据权利要求8所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 还包 括步骤五： 叶片动应力考核， 采用叶片动应力考核模块。 10.根据权利要求9所述的汽轮机超低负荷叶片动应力三维计算方法， 其特征在于： 步 骤五中， 编制叶片动应力考核表； 所述考核表第二列 “叶高”， 指的是叶片的叶身高度， 单位mm； 所述考核表第三列 “工 况”， 指的是所计算的超低负荷工况点； 所述考核表中给出的 “考核位置 ”， 考核位置分为叶 身考核和叶根考核两类， 所述叶身考核分为考核位置A、 考核位置B， 所述叶根考核分为考核 位置C、 考核位置D； 所述考核表中给 出的动应力许用值， 指的是叶片动应力满足设计安全要求的最大值； 所述动应力许用值获得过程为： 基于叶片材料的GOODMAN试验曲线， 以静应力数据为输 入， 查询材 料的耐振强度， 以制造厂规定的安全系数为 准则， 计算动应力许用值； 所述动应力许用值采用以下公式计算： 动应力许用值 ＝耐振强度/安全系数； 叶片动应力评估安全准则为： 叶身和叶根考核位置的动应力≤动应力许用值， 当考核 不合格时， 需要增加叶片阻尼、 叶片刚性或提升叶片材料等级方式对叶片进行优化设计， 确 保叶片动应力考核合格。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115510713 A 3