一种TRT叶片气流激励特性的数值诊断方法

技术领域

本发明涉及一种数值诊断方法，具体涉及一种TRT(高炉煤气余压透平装置)叶片气流激励特性的数值诊断方法。

背景技术

TRT机组的叶片由于其恶劣的运行环境和复杂的运行工况，其叶片叶栅的内部气流呈现出显著的非定常特性，由进气畸变、尾流、失速、顶隙泄漏涡等非定常气流引起的叶片振动甚至共振失效问题越来越凸显。

目前，通常利用试验测试或坎贝尔图对TRT叶片进行共振分析的方法，来诊断非定常气流激励对叶片振动安全性的影响。

然而，现有采用试验测试或坎贝尔图进行共振分析来诊断非定常气流激励对叶片振动安全性影响的方法存在以下缺点：

1)机组运行状态下的测试成本高、周期长。

2)坎贝尔图只能用于识别和判断上游支撑结构、叶片排尾流等诱发叶片同步振动的激励，不能识别由进气畸变、失速、流动分离等诱发叶片非同步振动的激励。

3)两种方式都缺少主要气流激励的激励位置信息，缺少叶栅内流场信息，不能对主要气流激励的诱发机制做出诊断。

发明内容

本发明的目的是解决现有诊断方法的诊断成本高、周期长，或不能识别由进气畸变、失速、流动分离等诱发叶片非同步振动激励，以及均不能对主要气流激励的诱发机制做出诊断的技术问题，而提供一种TRT叶片气流激励特性的数值诊断方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种TRT叶片气流激励特性的数值诊断方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、对TRT机组进行初步判别，排除非气流激励因素；

S2、对TRT机组进行流体域建模，获得流体域模型，对TRT叶片进行叶片结构建模，获得叶片结构模型；

S3、根据流体域模型生成流体域网格，根据叶片结构模型生成结构网格；

S4、根据流体域网格对TRT机组进行稳态流场数值分析，获得TRT机组中叶片的稳态流场分析结果；

同时，根据结构网格对TRT叶片进行预应力模态分析，获取TRT叶片的各阶固有频率；

S5、在TRT机组中的叶片表面设置N个监测点；以稳态流场分析结果为初始值，对TRT机组进行瞬态流场数值分析，获得TRT机组中叶片的表面监测点压力随时间脉动趋势数据，即瞬态流场分析结果；N≥3；

S6、根据瞬态流场分析结果和TRT叶片各阶固有频率进行激振力频谱分析，对照TRT叶片表面监测点的设置位置，获得TRT叶片表面的危险激励激发位置；

S7、根据稳态流场分析结果、瞬态流场分析结果以及危险激励激发位置，获得TRT叶片表面危险激励的激发原因，完成TRT叶片气流激励特性的诊断。

进一步地，S6具体包括以下步骤：

S6.1、对瞬态流场数分析得到的表面监测点压力随时间脉动趋势数据进行傅里叶变换，获得气流激励频谱；

S6.2、将S4中获得的TRT叶片各阶固有频率加入气流激励频谱中，识别出TRT叶片各阶固有频率避开率小于预设频率阈值，且对应频率下的气流激励振幅大于预设振幅阈值的危险气流激励成分；

S6.3、分解危险气流激励成分，对照TRT叶片表面监测点的设置位置，获得TRT叶片表面的危险激励激发位置。

进一步地，S6.2，所述预设频率阈值为10％；

所述预设振幅阈值为2000Pa。

进一步地，S7具体包括以下步骤：

S7.1、对稳态流场分析结果和瞬态流场分析结果分别进行流场可视化处理，获得TRT叶片的稳态叶栅通道内流场信息和瞬态叶栅通道内流场信息；

S7.2、将TRT叶片表面的危险激励激发位置，分别与稳态叶栅通道内流场信息和瞬态叶栅通道内流场信息进行对照，识别出引起TRT叶片表面压力周期变化的流动特征，从而获得TRT叶片表面危险激励的激发原因，完成TRT叶片气流激励特性的诊断。

进一步地，S4中，采用Mechanical完成在离心力作用下叶片预应力模态分析，得到TRT叶片的各阶固有频率。

进一步地，S5中，沿弦长方向在TRT叶片叶顶、叶中和叶根处的压力面和吸力面分别布置3～5个监测点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可以给出TRT叶片表面主要气流激励的频率、振幅和激励位置信息，可以获得可视化的叶栅通道流场信息，从而允许对主要气流激励的诱发机制做出诊断，进而针对性的改进设计，避免因此引起的叶片共振失效。

2、本发明能够识别出TRT运行中存在的有害气流激励，可以同时识别出同步和非同步气流激励引起的叶片振动。

3、本发明无需进行相应的测试，成本较低。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例中TRT叶片的气流激励频谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种TRT叶片气流激励特性的数值诊断方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。

本实施例提供了一种TRT叶片气流激励特性的数值诊断方法，能够全面准确地识别TRT机组中，由各类非定常气流激励引起的叶片振动。

参考图1，该数值诊断方法具体包括以下步骤：

S1、对TRT机组经过失效状况、历史运行情况、材料分析等分析过程进行初步判别，排除腐蚀、冲蚀、材料或加工缺陷等非气流激励因素。若为非气流激励因素，则不执行下述步骤；若为气流激励因素，则执行S2。

S2、对TRT机组进行流体域建模，获得流体域模型，对TRT叶片进行叶片结构建模，获得叶片结构模型；

具体的，对于TRT机组采用分部件的流体域建模，主要分为三个部分：

(1)进气室气流通道；

(2)全周360°全叶排气流通道；

(3)排气室气流通道。

S3、根据流体域模型生成流体域网格，根据叶片结构模型生成结构网格；

相应的，对三部分流体域模型分别划分流体域网格：

(1)进气室和排气室气流通道的流体域网格有Ansys-Meshing生成，主体采用非结构网格，边界层采用三棱柱网格；

(2)叶排气流通道的流体域网格由TurboGrid生成，采用高质量全六面体网格，单个叶片通道网格数不低于30万，近壁面网格要求y+<2。

S4、根据流体域网格采用ANSYS CFX对TRT机组进行稳态流场数值分析，获得TRT机组中叶片的稳态流场分析结果；

进行稳态流场数值分析主要有以下三方面作用：

(1)初步判断在考察工况下机组的运行状态；

(2)为瞬态流场计算提供利于收敛的初值；

(3)为后续研究激励的激发原因提供内流场信息。

稳态流场数值分析的设置如下：

(1)工质：煤气，采用理想气体混合；

(2)流体模型：含粘性功项总能量房产方程，自适应近壁面处理的SST湍流模型；

(3)对流格式：高分辨率格式，物理时间步长设为0.1/ω，ω为转子角速度；

(4)边界条件：进口边界给定总压、总温和气流方向；给定转子转速；所有转静交界面采用混合平面；所有壁面为光滑、绝热壁面；出口边界给定静压。

(5)收敛条件：残差收敛标准为10

同时，根据结构网格采用Mechanical完成在离心力作用下叶片预应力模态分析，得到TRT叶片的各阶固有频率。

S5、在TRT机组中的叶片表面设置N个监测点；以稳态流场分析结果为初始值，采用ANSYS CFX对TRT机组进行瞬态流场数值分析，获得TRT机组中叶片的监测点表面压力随时间脉动趋势数据，即瞬态流场分析结果；N≥3；

瞬态流场计算在稳态方法的基础上需要进行如下变化：

(1)修改分析模式为瞬态计算，给定计算的总时长和时间步长。时间步长给定为动叶转过单个静叶通道的1/50所需的时间，总时长给定位不少于10倍转子旋转1周所需的时间。

(2)将所有转静交界面设为瞬态滑移交界面。

(3)在动叶片上设置静压监测点。

(4)叶片表面压力监测值达到稳定周期性波动后5周以上则停止。

S6、根据瞬态流场分析结果和TRT叶片各阶固有频率进行激振力频谱分析，对照TRT叶片表面监测点的设置位置，获得TRT叶片表面的危险激励激发位置。

具体的，采用以下方式获得TRT叶片表面的危险激励激发位置：

S6.1、对瞬态流场数分析得到的表面监测点压力随时间脉动趋势数据进行傅里叶变换，获得气流激励频谱，参考图2；

S6.2、将S4中获得的TRT叶片各阶固有频率加入气流激励频谱中，识别出TRT叶片各阶固有频率避开率小于预设频率阈值，且对应频率下的气流激励振幅大于预设振幅阈值的危险气流激励成分；具体的，预设频率阈值取10％，预设振幅阈值为2000[Pa]；避开率＝(气流激励频率-叶片固有频率)/叶片固有频率；

S6.3、分解危险气流激励成分，对照TRT叶片表面监测点的设置位置，获得TRT叶片表面的危险激励激发位置。

S7、根据稳态流场分析结果、瞬态流场分析结果以及危险激励激发位置，获得TRT叶片上危险激励的激发原因，完成TRT叶片气流激励特性的诊断。

具体的，采用以下方式获得TRT叶片上危险激励的激发原因：

S7.1、对稳态流场分析结果和瞬态流场分析结果分别进行流场可视化处理，获得TRT叶片的稳态叶栅通道内流场信息和瞬态叶栅通道内流场信息；包括但不限于主要参数的3D流线，特征截面上的流线图、云图、矢量图等。

S7.2、将TRT叶片表面的危险激励激发位置，分别与稳态叶栅通道内流场信息和瞬态叶栅通道内流场信息进行对照，识别出引起TRT叶片表面压力周期变化的流动特征，例如上游叶片尾迹、边界层分离、激波等，从而获得TRT叶片上危险激励的激发原因(例如，攻角变化引起的大尺度流动分离)，完成TRT叶片气流激励特性的诊断。

通过以上诊断方法，即可获得TRT叶片上危险激励的激发原因，工作人员根据激发原因，即可有针对性的提出消除或抑制危险激励的解决措施，从而通过优化迭代的方式不断提升改进TRT叶片安全性。