1.初始设计模块包括:
设计方案生成器,用于生成亚音速、跨音速和超音速流的多个流道几何形状(解),这些解满足用户定义的边界条件和给定约束条件下的几何参数,同时可以考虑实际流体特性(参见流体工具箱);
设计空间浏览器能让用户查看生成的所有设计解的机器特性(几何形状、性能、流动工况);
后设计工具,可以用来进一步优化选定的几何参数。
2.叶轮机械
根据现有的授权,可以使用AxSTREAM®初始设计模块创建的机器包括:
轴流式透平
轴流式压缩机
轴流式泵
单级轴流式风机/鼓风机
多级轴流式风机
轴流式水轮机
单级径流式透平
多级向心式透平
多级离心式透平
径流式压缩机
径流式泵;
单级径流式风机/鼓风机
多级径流式风机
径流式水轮机
轴流-径流式透平
轴流-径流式压缩机/泵
混流(斜流)式压缩机
机器之间的统一界面能够让用户在有特定机器的背景知识的条件下,只需学习统一的操作方法即可。
AxSTREAM®可以设计具有特定机器特殊设计功能的单级、多级和多模块涡轮,以确保最大的灵活性以及优化的计算和后处理时间。
3.求解器、范围形式的数据输入和设计空间探索器
反问题求解器允许在短时间内生成大量设计(每分钟创建多达成千上万个几何),并与优化器相结合以寻找能获得更高的性能的参数集,并确保选择的几何详细设计已经在一维级别进行了优化。
这是由于输入参数是作为范围而非固定值提供而实现的。 然后可以在设计空间浏览器工具中分析这些范围,从而帮助用户根据性能、大小、可制造性等搜索最佳值。
此外,用户可以用过滤器仅保留符合用户定义标准的几何形状,从而最终选择一种设计,例如,得到性能与尺寸的最佳折中设计。 甚至可以将设计空间导出为电子表格格式以进行其它后处理。
此外,初始设计默认设置能够帮助用户在设计过程的最初始阶段考虑例如围带、密封或间隙数据等从而尽可能接近最终几何形状。
4.在设计和非设计工况下的结果验证和几何比较
AxSTREAM®的初始设计模块还包括一个中线直接求解器,可在中线或流线计算授权后使用,并能在设计和非设计工况下验证每个设计点的几何的性能。 这使得在整个运行范围(例如,从喘振/失速到堵塞)以及运行范围本身(例如,喘振裕度比较)中性能的比较变得非常方便。 请注意,为了研究非设计工况,需要AxMAP的授权。
5.再设计任务的初始设计
AxSTREAM®初始设计模块不仅可以从头开始创建几何图形。 实际上,它们也可用于改造或优化某些现有机器。 这可以通过根据所需的重新设计/优化水平设置适当的参数来完成,并且可以在保持级数、轴向和径向尺寸、叶片高度等范围之间进行。
1.介绍及求解器
无论机器是在AxSTREAM®平台内设计的还是导入的(通过手动输入几何数据、ATLAS或AxSLICE 工具),预测其性能的必要步骤是一维 / 二维流线计算模块。 在同一个界面中,用户可以根据预期目标、准确度和所需的计算时间来运行中线(一维)、流线(二维)或通流计算。可以计算考虑到实际流体特性情况下的的亚音速、跨音速和超音速流。
虽然这些不同机型的正问题计算是单独授权的,并且是针对每种机型独立的,但是统一的界面能让用户不必再学习类似功能的多个工具,为用户提供方便。
这样的计算能够精确和快速地获得叶轮机械的功率、效率、压比以及在流线方向和翼展方向上的运动学和热力学参数的分布。 损失也会被计算和定位,以便设计人员能够清楚地确定他们的机器在哪些地方损失效率,从而得到如何改进机器的线索。
2.泄漏和二次流动
此外,还能基于所提供的密封几何结构估计泄漏,模拟抽汽、注汽、再循环、冷却流,甚至可以添加热交换器以用于级间冷却或加热。
3.求解器的类型
中线计算方法是根据节线(平均线)处的计算结果外推轮盘和轮盖处的流动特性的一维计算。
流线计算方法是一种二维计算,它可计算径的多达49个径向翼展截面的实际叶片角度,尤其适用于较长的叶片。
通流计算是定性计算,它能够检视流动结构以进行优化,包括是否存在冲击,涡流等。
4.工作范围
该系统对于具有全叶片排、单个转子或定子、反向旋转、带有或不带有冷却或二次流的级,以及具有轴向和/或径向级的流动路径都可以进行分析。 并且可以对流道轮廓进行修改以施加额外的尺寸限制或增加端壁连续性。
5.损失模型
该软件包括一些行业认可的损耗模型,用于叶型损失、二次流损失、堵塞损失、泄漏损失等,同时允许用户自定义或实施自己的模型并调整每个值的大小,以实现最大的灵活性和工具评估目的。
6.可视化和后处理
展示叶片角和液/气流角、速度、马赫数、损失和作用力等参数的流向和翼展方向的图形与表格,以及任何计算的翼展方向层面的焓熵图和速度三角形都是可视化的。 此外,可以通过质量平衡图查看机器内的泄漏和二次流。 最后,静态参数和总参数(压力、温度、焓、速度、马赫数等)可以分别在绝对和相对参照系中显示在叶轮机械上。
7.附加功能
还可以创建数值实验来比较在表格和图形格式的多种计算结果;不同的计算方法、设置、计算中使用的翼展方向层面的数量等。
此外,这些直接求解器也用于AxMAP和AxPLAN模块(需要单独的授权)中,来分别进行灵敏度研究/非设计工况计算和实验设计(DoE)方法优化。
AxMAP是AxSTREAM®的一个非设计工况性能计算工具/功能,它使用meanline中线(一维)/ streamline流线(二维)直接求解器来获得机器在不同工况下的运行状态的准确结果。 这些信息包括诸如叶轮机械发生失速、阻塞或喘振时的质量流量或者针对给定的一组边界条件的达到最佳性能时的转速。
范围
对于每个流道元件,可以改变大约50个参数,范围从间隙到旋转速度、再安装角、表面粗糙度或入口/出口边界条件,从而容易地评估所考虑的机器的非设计工况性能并以表格、二维和三维图的形式显示。
用户需提供每个选择的变量的最小值和最大值,以及在提供的范围内的值的数量。 此外,用户还可以调整特定范围内的值的分布以便将点集中在一个区域中,并且变量也可以采用自定义的值以增强灵活性。
用户还可以导入实验数据以与模拟的一个或多个设计进行比较。
结果可以被导出以进行额外的后处理,也可以保存以供以后在任何AxSTREAM®项目中用作模板,甚至可以导入到AxCYCLE内从而在考虑到叶轮机械组件的非设计工况性能的情况下,动态地研究热力循环。
传统的优化方法需要的计算时间随参数的数量呈指数变化,因此有多种DoE方法可以用来显著缩短该计算时间。 DoE方法的最佳优点是它节省的时间随着所选变量的数量的增加而增加(对于优化任务,可以一次选择大约20个不同的参数)。
范围
这一切都可以在AxSTREAM®平台内,用户可以基于任何组合(单独或者自定义比例以定义特定优化任务)的准则来选择非常大量的参数来进行优化,同时使用中线和流线求解器进行直接任务计算。
基于数学模型创建响应面,该数学模型针对所提供的值和参数范围定义了给定机器的特性。 这使得执行优化任务非常地快速,并为所选组件提供最佳的5种值组合。
用户可以以表格和图形格式查看结果,并且可以单独保存文件以重新加载现有计算或将其用作将执行的任务的模板。
无论几何形状是来自AxSTREAM®初始设计工具,还是通过AxSLICE®模块从CAD模型或点阵导入的,叶型分析在空气动力学方面和结构上都对机器的性能起着至关重要的作用。
在本页中分别展示了AxSTREAM®的轴流式叶型和叶片设计以及径流式叶型和叶片设计的平台,它们是单独授权的。
AxSTREAM®平台的轴流式叶片造型和叶片设计能够使用户通过不同的叶型设计模式为旋转机械设计三维叶片,如蒸汽和燃气轮机、轴流压缩机和轴流风机。
AxSTREAM®径流式叶叶片造型和叶片设计能够让用户轻松设计和编辑径流式压缩机、混流式压缩机和径流式涡轮的转子、定子和分流叶片。
每个叶片可以使用不同的叶型设计模式为每片最多49个翼展层面进行设计,以确保最大的编辑灵活性并保证性能。用户 可以查看和编辑每个层面的叶型特性,从而为AxSTREAM®项目数据库中给定的流量工况提供优化设计。
设计或编辑后,叶片的几何(仅轴流式叶片)可以存储到ATLAS叶型数据库和/或导出为X,Y坐标。 另一方面,任何叶片都可以用于其它AxSTREAM®模块,如AxSTRESS或AxCFD,用于三维分析或作为CAD、FEA或CFD模型导出到外部软件。
1.轴流式叶片叶型设计功能
轴流机器的叶片可能相当复杂并且高度范围可以从几毫米到一米多(约3英尺)。 根据叶片尺寸、需要实现的性能、制造能力和成本,用户可以使用AxSTREAM®中提供的不同技术; 如棱柱形(圆柱形)、扭曲叶片、倾斜(包括弓形)、掠形等。
交互式且用户友好的编辑功能与与势流求解器相结合能够帮助用户在更改叶型几何形状的同时即时查看流场参数云图,从而得到叶片流道中的最佳流场。
此外,可以用户可以自定义的几何参数范围来得到损失最小的优化叶型,以加强所执行的手动优化。
一旦成功地对每个层面进行了叶型设计,就可以将这些层面堆叠起来以完全定义三维的叶片几何形状并允许在堆叠轴中进行倾斜(例如直接或组合成弓形),和掠形的设计。
2.轴流式叶片叶型设计后处理
可以有若干选项来定量和定性地评估三维叶片叶型的性能。 这些包括叶型损失的计算、叶片载荷的显示、流动分离标准、压力和吸力面的马赫数等,亦可用于比较不同翼型的结果。
在力学方面,用户可以估算不同位置的叶片应力,以减少叶片设计和三维结构计算如AxSTRESS之间的迭代。
使用粘度和湍流以及自定义网格的准三维CFD(恒定半径计算)工具能够帮助用户计算和显示叶片间流道中的热力学和运动学特性云图以及热通量和速度矢量。 这种叶栅 CFD对于跨音速阶段分析非常有用,因为势流理论无法准确预测所有效果。
本模块还可以用来研究叶片安装角以研究喉道面积在流量不同的情况下,如何受到影响。 甚至可以使用用户定义的转速方案从而基于转速来优化安装角。
安装角= 0度
安装角=-25度
3.径流式叶片叶型设计功能
三维叶片的叶型设计通过对入口和出口几何参数、β、θ和流道厚度分布编辑完成,每个叶片最多对49个翼展方向层面进行设计,同时用户可以对叶片几何形状进行交互式和可视化的改变,并自动重新计算出口液流角。
此外,可以对叶片的数量、叶片角度、前缘 / 尾缘角偏移、叶片是否倾斜和掠形进行编辑。
可以使用不同的叶型设计模式来确保几何编辑的灵活性,如三维叶片、直纹曲面(用于径流式叶轮)和柱状叶片。
4.径流式叶片后处理
后处理包括对于叶片曲率的交互式显示,确保得到光滑的表面,从而有助于防止流动分离并使损失最小化。 提供多种前缘和后缘选项:切断、圆形或椭圆形以满足需求。 此外,叶片的每个翼展方向的极坐标视图能够使用户查看叶片叶型并进行所需的更改。
类似的,本模块也可以执行叶片安装角以研究喉道面积在不同流量情况下,如何受到影响。 甚至可以使用用户定义的转速方案从而基于转速来优化重新安装。
安装角=-25度
一旦完成叶轮机械的初始和细节设计,在开始制造和测试之前使用更精确的模型检查性能和流动特性是一种好的做法,但也非常昂贵; 因此这通常是计算流体动力学(CFD)派上用场的时候。
AxCFD®可在叶轮机械流道中运行全3D RANS计算流体动力学,它适用于单排、单级或整机(包括管道等元件)。
1.前处理
得益于AxSTREAM®软件平台几何结构的集成架构,边界条件、间隙值、刀片数量、转速等都自动继承自AxSTREAM®项目,这大大简化并缩短了前处理设置时间,并防止了人为错误。 同时,也可以根据需要编辑它们以研究不同的影响。 以类似的方式,还可以根据AxSTREAM®项目创建出基于几何形状的周期性条件以及入口和出口表面。
AxCFD可以自动生成可自定义块的叶轮机械特定的结构化六角形网格来进行计算领域的划分。用户可以选择不同类型的网格生成,并且可以在每个方向、边界层、块等和旋转区域中进行细化,同时还也可以设置冷却孔的位置。
2.求解器
根据用户是否希望计算压力值(入口或出口)或质量流量,可以有不同的计算任务。用户可以选择 粘度和不同的湍流模型(包括k-ε、k-ω、k-εRNG、k-ωSST)用于新计算或继续现有计算。 同时还可以考虑叶片和流体之间的热传递以及材料表面粗糙度。对于给定的翼展方向层面(径向截面)、轴对称切片、整个3D几何体都可以运行计算。
3.后处理
一旦软件计算收敛,用户可以得到在流道内任何自定义位置上展向或者流向层面上的压力、温度、速度、马赫数等的后处理可视化云图。 此外,还可以显示任意径向位置的叶片负载。
最后,用户可以输出CFD结果,以对使用相同或不同的求解器(1D、2D、3D)得到的计算结果以及实验结果在设计和非设计工况下进行比较。
用于叶片和附件的快速3D有限元分析。
用于逆向工程的AxSTREAM®软件模块AxSLICE能够让叶轮机械服务提供商、原始设计商和设备改造企业通过使用数字复刻来评估和分析现有的叶轮机械流道,并为现有的涡轮,压缩机和泵开发新的高效设计。
1.逆向工程:使用AxSLICE进行几何识别
AxSLICE可以导入和操控3D CAD模型中的几何图形或3D激光扫描生成的点阵,以提取各种叶轮机械的叶型,例如轴向、斜向和径向叶片,以便在AxSTREAM®软件平台中使用。
对于任意数量的翼展方向的层面,可以在逆向工程模块内直接编辑或调整已识别的几何形状。
然后可以在AxSTREAM®平台中使用每个叶型的提取的特征(入口、出口和测量角度、前缘/尾缘半径、弦长、轴向和径向位置等),在几分钟内就可以完成设计和非设计工况下的一维,二维和三维流线计算、重新设计、重新评估和优化等。
如果没有精确的轴承建模,转子动力学分析既不完整也不可靠。 AxSTREAM Bearing™模块用于确定不同类型的液体动压径向和止推轴承的流体动力和力学特性,以及辅助部件特性,如密封件、挤压油膜阻尼器等。
1.AxSTREAM Bearing™模块使用户能够分析以下类型的液体动压轴承:
径向液体动压轴承类型普通圆柱形
固定瓦(包括椭圆型)
可倾瓦
止推液体动压轴承类型固定瓦
可倾瓦
空气箔片轴承阻尼箔片
螺旋槽
此外,还可以在AxSTREAM Bearing™中计算以下内容:
滚动轴承(利用径向刚度作为参数)深沟
调心
调心滚子
圆柱滚子
圆锥滚子
液体静压轴承
辅助部件模拟挤压油膜阻尼器(刚度和阻尼等效特性)
液体环形密封(刚度,阻尼,质量等效特性)
气动交叉耦合
嵌入式的流体库允许用户在不同项目中使用新的或现有的,考虑到温度依赖性和壳体和轴颈的热传递的不可压缩和可压缩流体。
2.分析和后处理
多种使用有限差分法(FDM)的分析可以在此模块中执行:
稳态 – 在静态载荷下对轴承进行测量,以确定恒定转速下的平衡位置。 在稳态分析下计算以下特征:压力分布
摩擦系数
摩擦力损失
流量
油温增量
最小油膜厚度
温度分布
偏心和角度
分膜含量
Sommerfeld数
临界质量
力学特性:刚度和阻尼系数
涡动稳定性 – 模拟由于扰动导致的轴运动轨迹。 这里使用初始参数、轴承负载、不平衡值和转速。 此外,可以相对于轴承的内表面估计轴心轨迹以作为分析的结果。
轴承图分析 – 一系列针对不同转速的稳态分析。 结果与稳态分析相同,但是针对设定范围内的每个速度都进行了计算。 计算的刚度和阻尼特征图用于转子动力学分析。
这些属性都可以导出为方便打印的报告或导到 AxSTREAM® RotorDynamics 软件中,以便在转子动力学分析过程中自动使用适当的值。此外,在不同的计算中也可以考虑轴承兜和错位。
此外,润滑剂流量、热平衡和温度分布都可被计算得到。
如果没有适当的转子动力学分析,旋转机械在运行期间失败的风险会更高。 正是考虑到这一点,转子动力学软件可以说是叶轮机械设计过程中最重要的工具之一。
AxSTREAM® RotorDynamics 模块是一种可以解决许多例如轴承特性、转子不平衡、总励磁、临界速度和涡流频率等等问题的软件工具。
1.应用
AxSTREAM® RotorDynamics 软件模块具有许多不同的用途。 这包括但不限于:
喷气发动机
冷却系统
泵
压缩机
风扇
发电机
风力发动机
蒸汽轮机
离心式压缩式涡轮增压器
燃气轮机
电动机
用户可以使用FEM(有限元法)求解器将转子和转子系统建模为圆柱形或圆锥形梁单元(平面或空心),质量惯性元件可用于模拟轮盘、叶根、叶片、叶轮、探头等。
2.分析范围
使用AxSTREAM® RotorDynamics, 可以执行不同类型的旋转机械分析:
静力挠度分析 – 允许计算转子在其自身重量下的挠度以及系统中每个轴承的反作用力
横向临界速度分析-固定和可变支承刚度
不平衡响应分析
涡流速度和稳定性分析
传动系扭振模态和瞬态分析
振动分析
液膜轴承分析
转子平衡分析
该程序的后处理功能能够帮助用户获得有关转子轴承支承系统的信息,如下所示:
静挠度形式
整个机器的应力、力和力矩
临界速度模态形状
临界速度图
转子响应图
根据API标准要求,给出所提供的不平衡和阻尼特性的放大系数和隔离裕度
横向和扭振分析的稳定性图和坎贝尔图
扭振固有频率
瞬态扭振响应扭矩和应力
任何涡轮都必须具备满足空气动力学效率和结构合理的叶片。 然而,一旦确定了叶片的几何形状和附件(叶根、叶盘、机轮等),设计工作并没有完成,因为还必须注意转子本身的设计。 转子设计迭代过程需要同时进行全面的结构检查(例如离心力和热应力、重力下陷、爆破计算等)和转子动力学分析。 每个连接的转子部件(叶片、叶盘、级间和端部填料密封、径向和止推轴承等)都必须进行分析、合理设计,最后组装在轴上适当的位置。 AxSTREAM® RotorDesign软件是一个所有设计工具和计算模块之间的集成平台。 按照AxSTREAM ® RotorDesign的设计和分析步骤,可以设计完整且高度可靠的转子及所有连接设备,并将其导出到AxSTREAM ® RotorDynamics软件中进行转子动力学分析,最终可以导出到CAD软件中,以便进一步创建最终的产品。
1.设计过程
AxSTREAM® RotorDesign工具能够让用户导入新的、现有的、优化的流道设计,从而当它用作独立软件时,可以基于AxSTREAM® 2D流道设计或通过手动输入叶片轴向和径向位置来设计转子。
相应的AxSTREAM®项目包含有关叶片几何形状、材料、位置、直径、数量等的信息。基于这些信息,AxSTREAM® RotorDesign计算并为AxSTREAM® RotorDynamics和结构检查过程中涉及的其它模块提供需要的所有信息,如质量和惯性特征、载荷和边界条件。
叶片(带有叶根和叶壳附件)和叶盘几何结构可以从AxSTRESS – AxSTREAM®的三维 FEA(有限元分析)工具中导入 ,可以在AxSTRESS中设计它们。 第二种选择是在AxSTREAM® RotorDesign模块内以简化的方式对它们进行建模,从而创建关于载荷、等效质量惯性和刚度特性的正确转子模型,并通过转子尺寸设计提供额外的约束。
其他组件设计,如级间和端部填料密封区域、联轴器、径向和推力轴承位置、以及带有倒角和圆角的适当轴部分(圆柱形和圆锥形都包括)也可以使用AxSTREAM® RotorDesign标准组件库添加到转子装备中或手动进行创建。
转子的每个元件可以设定为嵌入式库中的材料或或者用户创建的材料。
初始转子设计准备就绪后,整个转子模型可导出到AxSTREAM® RotorDynamics模块,在考虑AxSTREAM® RotorDesign模型中定义的各个部分温度的同时,执行转子动力学分析,。如果满足转子动力学和结构标准,则可以将转子几何形状导出到CAD软件中以进行进一步的设计步骤。 在其他情况下,集成的RotorDesign系统能够帮助用户快速重新设计转子组件并重新计算所有步骤以满足要求。