(19)中华 人民共和国 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 202111426022.0 (22)申请日 2021.11.26 (71)申请人 西安热工 研究院有限公司 地址 710048 陕西省西安市碑林区兴庆路 136号 申请人 华能集团技 术创新中心有限公司 (72)发明人 居文平　高庆　屈杰　朱蓬勃　 马汀山　高登攀　陈锋　李辉　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 代理人 姚咏华 (51)Int.Cl. G06F 30/22(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01)G06F 17/13(2006.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方 法 (57)摘要 本发明公开了一种汽轮机排汽结构气动特 性数值分析方法， 本发明型能够精 准对叶片尾迹 与缸体相互间干涉作用下三维复杂掺混现象以 及末级叶片顶部的超音速流动现象进行捕捉， 使 静压恢复系数与及末级的总 ‑总等熵效率的计算 结果更加真实可靠。 可获取不同通流流量与静压 恢复系数所对应的函数关系式， 为工程设计提供 更精准的基础数据。 本发明升温通用性较强， 适 用于多数计算流体动力学软件如CFX、 NUMECA、 FLUENT等。 权利要求书3页 说明书7页 附图6页 CN 114186441 A 2022.03.15 CN 114186441 A 1.一种汽轮机排汽结构 气动特性数值分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 建立1:1实体尺寸的三维汽轮机排汽结构计算域模型， 三维汽轮机排汽结构计算域 模型包括末级静叶、 末级动叶、 排汽缸体导流叶片及支撑板、 低压排汽缸扩压段的计算域模 型； S2， 对三维汽轮机排汽结构计算 域模型， 进行网格刨分生成多块结构化网格； S3， 对三维汽轮机排汽结构计算域模型， 依据物理实际条件进行边界条件设置并进行 流动数值 求解； S4， 对末级选用总 ‑总等熵效率， 对排汽缸选用静压恢复系数来表征， 从而定量表征末 级和排汽缸的整体气动性能； S5， 根据三维汽轮机排汽结构计算域模型和末级和排汽缸的整体气动性能， 获取得不 同通流流量与静压恢复系 数所对应的函数关系式， 捕捉末级叶片顶部的超音速流动现象， 以及耦合模型动静尾迹干涉下的排汽缸的流场以及动静压力场的变化情况， 对汽轮机末级 及排汽缸的气动性能进行精准评估。 2.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， S1 中， 建立三维汽轮机排汽结构计算 域模型的具体方法如下： S11， 建立末级静叶及动叶计算域模型， 叶片数目依据实际设计进行选取， 建模时依次 从叶根至叶顶选取叶片特征截面， 静叶采用尾缘积叠的规律进行径向拉伸建模， 动叶采用 形心积叠的规律进行径向拉伸建模， 单体模型生成后进行周向旋转复制， 形成最终的全周 整圈计算模型； S12， 建立排汽缸体导流叶片及支撑板计算域模型， 首先利用结构图完成导流叶片及支 撑板的二维草图绘制， 进而利用拉伸 功能得到有径向厚度的三维模型， 并通过旋转及布尔 加减逻辑运算方式完成导流叶片及支撑板的模型建立， 最后进行衔接处的过渡圆建立， 并 预留固壁表面 边界层网格的厚度空间； S13， 建立低压排汽缸扩压段计算域模型， 采用面扫掠添加脊线的方式生成渐扩型扩压 段计算模型， 脊线为 光滑过渡的引导线， 同时也在固壁表面预留边界层网格的厚度空间。 3.根据权利要求2所述的一种 汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， 运 用几何模型建立软件建立末级静叶及动叶计算域模型、 排汽缸体导流叶片及支撑板计算域 模型和低压排汽缸扩压段计算 域模型。 4.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， S2 的具体方法如下： S21， 将静叶及动叶的三维计算域模型进行网格刨分， 静叶进口流道及叶片进出口延伸 处的拓扑结构采用H ‑O‑H结构化网格， 静叶叶片表 面采用O型拓扑贴体网格， 分别进行周向、 轴向及径向节点加密以保证后期数值 求解； S22， 将汽缸体导流 叶片及支撑板进行网格刨分， 通过由顶至下的方式， 生成多重拓扑 块的结构网格； 网格生成时， 依次在结构 体内生成族、 材料点， 并设置自然尺 寸， 在局部加密 的地方细化网格参数， 在近面近边界层处采用三棱柱边界层网格对近壁面处进行加密处理 以保证网格的高质量， 最后网格完成后进行光 顺处理； S23， 将低压排汽缸扩压段计算域模型进行网格刨分， 扩压段区域网格结构采用六面体 结构， 通过建立在Block拓扑模块并与几何边界关联映射， 在拓扑边线处输入网格节点数权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114186441 A 2目， 最终生成膨胀比小于1.5， 长 宽比小于10， 正交角度大于45度的优质六面体网格。 5.根据权利要求4所述的一种 汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， 将 静叶及动叶的三维计算 域模型导入网格生成软件NUM ECA AUTO GRID进行网格刨分； 将汽缸体导 流叶片及支撑 板导入网格生成软件IC EM进行网格刨分； 将低压排汽缸扩压段计算 域模型导入网格生成软件IC EM进行网格刨分。 6.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， S3 的具体方法如下： S31， 静叶主流进 口设置总压、 总温、 湍流度边界条件， 流动方向与进 口面垂直； 动叶出 口设置出 口平均静压边界条件； 计算域分别 设置静止域及旋转域， 旋转域及旋转壁面根据 实际转速情况设置旋转速度， 动静交界区域数据传递方式为混合平面， 其余固体壁面设置 为均匀为 绝热无滑移壁面； S32， 求解三维粘性可压缩非稳态流动传 热控制方程组， 并引入Boussinesq湍流模型假 设使湍流计算雷诺时均Navier ‑Stokes方程组封闭， 通过计算获取流体计算域压力、 温度及 流速的气动参数。 7.根据权利要求6所述的一种 汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， 静 止域包括整圈静叶、 排汽缸体导 流叶片及支撑 板、 低压排汽缸扩压段； 旋转 域包括动叶。 8.根据权利要求6所述的一种 汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， 三 维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下： 式中ρ 是流体密度； 为通用变量， 能够代表u、 v、 w、 T以及k和 ε等求解变量； 为广义 扩散系数； 为广义源项， 其中 与 的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的 定义； 引入基于Bous sinesq假设的湍动粘度， 将雷诺 应力表示成湍动粘度的函数， 即： 式中， μt为湍动粘度， k 为湍动能， δij为克罗内克符号。 9.根据权利要求1所述的一种汽轮机排汽结构气动特性数值分析方法， 其特征在于， S4 中， 总‑总等熵效率的计算方法如下： 式中： ht,in为进口总焓； ht,out为出口总焓； ht,out,is为出口等熵焓； 静压恢复系数定义如下：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114186441 A 3