1 前言

随着现代工业的快速发展，不断扩大的工业汽轮机应用范围对其性能提出了更高的要求。应用高性能的工业汽轮机可进一步提高能源利用效率，有效减少污染物排放，对国民经济和社会可持续发展具有重要的意义。

汽轮机组的性能和可靠性一直是汽轮机行业关注的重点，涉及到多个领域的内容，是一项多学科的交叉应用的课题。它包括固体力学中的动静强度分析、振 动的模态分析，振动响应分析；热力学中的热力分析；流体力学中的气体动力学和叶轮机械内部的气动弹性问题；叶型的优化还涉及到优化方面的内容。

基于工业汽轮机结构、所处环境以及多部件密切配合工作等复杂性，长期以来，大部分依靠强度和风洞等试验来推动新产品的开发和研制，这使得汽轮机开 发周期很长。自上世纪五六十年代以来，各种计算技术的发展，特别是最近二三十年，各种商业软件的日益完善和计算机硬件技术的飞速发展，使得各种CAE 技术能够部分替代强度和风洞等试验，在一定范围内，能够得到较为可靠的气动和强度性能，这大大缩短了汽轮机的开发周期。

但如何将这些先进的计算流体力学、计算固体力学等技术更好地与汽轮机行业相结合，特别是与已有的汽轮机行业经验和准则相结合，目前仍是一个亟需完 善的课题，本文就是将各种先进的CAE 技术与汽轮机已有行业准则相结合，开发出一个有针对性的实用的以汽轮机叶片研发为核心的开发平台，这对我国工业汽轮机产业研发工作来讲是非常需要而且非常 有意义的。

2 叶片开发平台构架

2.1 开发平台体系学科构架

一个产品的研发，是一个系统的工程，它涉及到多学科的方方面面内容，需要建立一整套的“设计、分析、评估”体系，这就需要建立一个能够容纳整个体 系的技术平台，只有有了这样的一个平台，才能更好地利用我们的设计数据库，才能更有效地提高我们技术开发的效率和能力。表1 给出了开发平台体系的学科构架。

表1 开发平台体系学科构架

2.2 开发平台体系流程

下图1 给出了以低压级组叶片为对象的开发体系具体流程图。对于初始设计更多地需要依靠已有的工程经验和行业内的快速设计方法，在此基础上发挥CAE 技术的优势，进行全三维的结构设计、分析和优化。在该开发流程中，除初始开发设计外，其余部分均采用三维CAE 技术来完成，几何造型、结构设计优化和强度振动部分采用Ansys-Bladegen、Ansys-Workbench 和Ansys-Classic等商业软件，流场分析和优化以及流固耦合技术采用CFX及其子模块Turbosystem 等商业软件。通过对级组进行结构和气动的分析和优化，结合已有叶型库和行业内的强度、振动和安全性的评价准则，综合判断级组的安全性。

图1 开发体系流程图

3 CAE 技术在工业汽轮机低压级组叶片开发中的应用

本部分以低压级组叶片为例详细介绍CAE 技术在低压级组叶片中的应用。

3.1 叶型几何造型及参数化处理

图2 和图3 给出了杭州汽轮机股份有限公司某低压叶片级组的末级叶片的实体图和截面示意图，图4 给出了各截面的相对位置示意图。应用Bladegen 软件将叶型各截面进行参数化处理，可方便提取出叶片各截面的特性参数，图5 给出了压力面吸力面方法拟和后的叶型，图6 给出了各截面厚度沿叶高分布图，图7 给出了叶型各截面中弧线示意图，图8给出了叶片各截面面积沿叶高的分布，图9 给出了叶型各截面几何进口角和出口角沿叶高的分布。根据这些截面属性可以很好地把握叶型的强度振动和气动性能，为之后的叶片改型提供了依据。

图2 叶片实体图

图4 叶片各截面相对位置示意图

图5 叶型表示形式（Bezier 曲线、背弧；Spline 曲线、内弧

图6 某末级叶片各截面厚沿叶高分布图

图8 某末级叶片面积度沿叶高分布图

3.2.1 气动模型介绍

下图10 给出了某低压级组的流道模型和流道网格示意图，具有150 万个节点，采用周向平均模型。工质采用了IF97 湿蒸汽模型。

图10 单个流道示意图及网格示意图