重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案

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燃气轮机仿真体系与研发信息化建设方案及实践

基于大数据的企业应用数据中心与研发信息化系统
功能
性能
可靠性
运维与服务体系
需求管理与方案论证
工程设计与试验验证
需求管理系统
•需求定义 •需求管理 •需求挖掘
概要/方案设计系统
•指标论证 •方案论证 •系统原型验证
产品设计数据管理平台
•设计数据 •设计流程 •设计知识
仿真数据管理平台
•仿真数据 •仿真流程 •仿真知识
➢ 仿真方案
—利用Actran DGM模块仿真 —源于欧盟项目成果（MESSIAEN、TURNEX ）
消音区
远场指向性产生变化
剪切层导致的声散射
物理区声源区
项目示例——旋转机械流动噪声分析
CAD模型与 CFD网格处理
获取声压分布、指向性等结果
声学分析
获取非定常流场分布，含压力、速度、密度等
非定常流场 CFD分析
多学科仿真与优化设计
•多学科仿真 •MpCCI •EALink •Mag Acoustics •结构优化 •Optistruct •流体优化 •CAESES •电磁优化 •OptiNet •多学科优化 •Optimus
模型模板开发与流程、规范建立
直面工业级应用的深层次、全方位工程研发服务
标准制定规范建立
试验数据管理平台
•试验数据 •试验流程 •试验资源
第三方业务系统
/ 第三方业务系统
生产
交付
生产数据管理平台
•生产数据采集 •工艺检测数据 •质量检测数据
运维数据管理平台
•运行状态 •故障诊断
第三方业务系统
智慧研发
智能制造
智能运维
大纲
公司简介仿真体系与研发信息化建设背景及业务概述燃气轮机多学科仿真方案及实践基于数据中心的多学科仿真与试验验证环境建设方案及实践研发云建设方案及实践结论与展望

燃气轮机热力性能模型构建与分析

燃气轮机热力性能模型构建与分析燃气轮机作为一种被广泛应用于发电和航空航天领域的动力装置，其热力性能模型的构建与分析是提高轮机性能和运行效率的关键。

在本文中，将从热力学基础、模型构建和性能分析三个方面探讨燃气轮机热力性能模型的相关内容。

首先，我们来了解燃气轮机的热力学基础。

燃气轮机是一种通过燃料的燃烧产生高温高压气体，驱动涡轮旋转，并通过轮子和压气机将其中的能量转化为功的装置。

其中，热力学循环是描述燃气轮机工作原理和性能的理论基础。

常见的燃气轮机热力学循环包括布雷顿循环和雷诺循环。

布雷顿循环是燃气轮机的基本循环，通过喷燃器燃烧燃料，产生高温高压气体，驱动涡轮旋转；而雷诺循环是一种改进的循环，通过采用再热和冷却技术，进一步提高燃气轮机的效率。

其次，我们将讨论燃气轮机热力性能模型的构建。

燃气轮机的热力性能模型是描述其工作过程和性能参数的数学模型。

通过构建准确的模型，可以有效地预测和优化燃气轮机的性能。

燃气轮机热力性能模型的构建涉及到多个方面，如气流、燃烧和传热等过程的建模。

例如，气流模型可以利用欧拉方程和质量、能量守恒定律来描述气体在转子和定子之间的流动；燃烧模型可以利用化学反应动力学和热释放率等参数来描述燃烧过程；传热模型可以利用传热方程和流体力学分析来描述燃气轮机中的热传递过程。

最后，我们将对燃气轮机热力性能模型进行分析。

通过对热力性能模型的分析，可以评估燃气轮机的性能，优化其工作参数，以实现更高的效率和功率输出。

热力性能模型的分析主要包括两个方面：一是对燃气轮机循环参数的分析，如进气温度、压缩比、放大比等，这些参数直接影响燃气轮机的效率和功率输出；二是对燃气轮机实际运行数据的分析，通过对实测数据的对比和统计分析，可以评估燃气轮机的实际性能和运行状况。

通过对模型分析的结果，可以及时发现问题，采取相应的措施进行调整和改进。

在实际应用中，燃气轮机热力性能模型的构建和分析是一个复杂而细致的工作。

需要深入理解燃气轮机的热力学原理和工作过程，掌握相关的建模和分析方法。

燃气轮机热力系统建模与优化

燃气轮机热力系统建模与优化随着经济的快速发展，能源需求量越来越大，其中燃气轮机因其高效、快速启动和灵活性等优点，被广泛应用于许多领域，如航空、能源、化工和石化等行业。

燃气轮机的热力系统是燃气轮机性能和效率的关键因素，其设计和优化对于提高燃气轮机的发电效率、减少能源消耗以及降低环境污染都具有重要意义。

因此，燃气轮机热力系统的建模与优化成为了目前研究的热点之一。

一、燃气轮机热力系统的组成燃气轮机热力系统由多个组件组成，包括燃气轮机本身、燃气发生器、燃烧室、废气热交换器和排气系统等。

其中，燃气轮机是系统的核心部件，其效率直接影响系统的整体性能。

燃气发生器将燃料和空气混合并燃烧，产生高温高压的燃气，然后将其输送至燃烧室中进行燃烧。

在燃烧室内，燃气与空气混合燃烧，释放出来的高温高压气体推动燃气轮机转子旋转，从而输出功率。

废气在经过燃烧室后进入烟囱，经过废气热交换后产生高温高压蒸汽，从而产生蒸汽动力。

二、热力系统建模为了更好地理解燃气轮机热力系统的行为和性能，必须对热力系统进行建模和仿真。

基于理论计算和实验数据，热力系统的建模可以通过数学模型实现。

常用的热力系统建模方法包括：模拟实验数据建模法、基于热力参数的建模法、基于物理模型的建模法和基于混沌分析的建模法。

模拟实验数据建模法是基于实验数据分析和处理得出的经验公式进行热力系统建模，通常可以采用回归分析和多元线性回归方法获取热力参数，再通过极大似然估计和贝叶斯估计等方法对热力系统进行建模和参数拟合。

基于热力参数的建模法采用热力学基本方程，对热量、熵、焓等参数进行建模。

通常采用质量守恒、能量守恒和熵守恒等基本方程，对燃气轮机热力系统进行模拟。

基于物理模型的建模法是将热力系统中各个组成部分分别建模，再通过组合汇总得到整个热力系统模型。

在此方法中，要考虑系统中的各种物理变量和不同组件之间的相互作用。

方法难度较大，但准确性高。

基于混沌分析的建模法，是基于非线性系统的动力学行为，该方法通常采用预测算法、小波分析、神经网络等方法，模拟燃气轮机热力系统的行为和性能。

燃气轮机发电系统的建模与仿真研究

燃气轮机发电系统的建模与仿真研究随着能源需求不断增长，燃气轮机发电已经成为了一种重要的发电方式。

燃气轮机发电系统由气体压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机等部分组成。

其中涡轮机是系统的核心部件，负责将高温高压气体的动能转换为机械能，从而驱动发电机工作，实现电能的转换。

针对燃气轮机发电系统的建模与仿真研究，可以为该系统的优化设计和运行管理提供重要参考。

下面对燃气轮机发电系统的建模与仿真研究进行探讨。

一、建模燃气轮机发电系统的建模过程可以分为以下几个步骤：（1）系统分析与功能划分首先需要对系统进行深入的分析，对系统进行功能划分和功能分析，以确定系统中各个部件的工作原理和功能要求。

在此基础上，建立系统的整体模型。

（2）部件建模接着，需要对系统中涉及的气体压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机等主要部件进行建模。

可以采用基于物理的建模方法，将各个部件的工作原理和影响因素用数学模型描述出来。

（3）系统集成在完成各个部件的建模后，需要将各个模型相互集成，形成整个系统的模型。

系统集成时需要考虑参数传递、组件接口等因素。

（4）验证与修正最后，需要对建立的系统模型进行验证与修正，以确保模型能够准确地反映实际系统的特性和性能。

可以通过实验数据对模型进行验证和修正。

二、仿真燃气轮机发电系统的仿真可以分为静态仿真和动态仿真两个部分。

（1）静态仿真静态仿真主要用于对系统各部件性能和工作情况的分析，包括燃气轮机性能参数、系统能效、各部件的压力、温度、流量等。

静态仿真可以用于系统的设计和调试阶段，通过改变系统结构、部件参数等方式，分析不同参数对系统性能的影响，优化系统设计。

（2）动态仿真动态仿真主要用于对系统在动态工况下的性能分析，包括系统启动、停止、负荷变化等。

通过动态仿真可以预测系统在不同工况下的工作性能，优化系统控制策略，提高系统运行效率和可靠性。

在仿真过程中，需要对系统的各个参数和变量进行监测和分析。

通过与实际数据进行对比，可以对仿真结果进行修正和调整，确保系统仿真结果的准确性和可靠性。

重型燃气轮机通流部分热力特性计算与仿真研究

ｂｓｉａｓｏｆｍｏｄｌａｕｒｉｚｅｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｍａｊｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｌｉｕｎｋ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｌｆｏｗｐａｓｓａｇｅｏｆａｃｌａｓｓＦｕｎｉａｘｉａｌｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｏｎｔｈｅ
ｗｈｉｃｈｉｓｈｅｌｐｆｕｌｏｒｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒａｘｉｓｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄａｉｒａｎｄｈｉｉｓｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇａｓｏｎｔｈｅｔｙｐｉｃｌａｓｅｃｔｉｏｎ．Ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｌ１ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅ－ｌｅｖｅｌ

高温燃气轮机性能仿真与优化

高温燃气轮机性能仿真与优化随着能源需求的不断增长，燃气轮机作为一种高效、可靠的发电装置，在能源领域被广泛应用。

然而，在长期运行过程中，高温下的工作环境对燃气轮机的性能和可靠性提出了更高的要求。

因此，进行高温燃气轮机的性能仿真与优化研究，不仅可以提高其运行效率和可靠性，还可以降低能源消耗和环境污染。

一、高温燃气轮机的性能仿真高温燃气轮机的性能仿真研究是基于计算流体力学（CFD）和多物理场耦合分析的方法，通过对其内部流动和传热过程进行模拟和分析，来评估燃气轮机的性能和热特性。

1. 流动分析：通过建立燃气轮机的几何模型和边界条件，利用CFD方法模拟内部流动过程，包括气流速度、温度、压力和流动分布等参数的计算。

通过分析速度场、压力场和温度场的分布，可以评估流动性能和热特性。

2. 燃烧分析：燃烧是燃气轮机的关键过程之一，对性能影响较大。

通过模拟燃气轮机燃烧室中的燃烧过程，包括燃料混合、燃烧温度和燃烧效率等参数的计算，可以评估燃烧性能和污染物生成情况。

3. 传热分析：高温燃气轮机在工作过程中需要承受高温环境的影响，通过模拟燃气轮机的传热过程，包括壁面传热和热阻的计算，可以评估燃气轮机的散热性能和热特性。

二、高温燃气轮机的性能优化高温燃气轮机的性能优化研究旨在通过优化设计和运行参数，提高其效率和可靠性，降低能源消耗和环境污染。

1. 参数优化：通过仿真模拟和试验分析方法，结合数值计算和实验数据，研究关键性能参数对燃气轮机性能的影响规律，进而确定最佳的工作参数范围，如进气温度、进气压力、燃气混合比、排气温度等。

2. 材料优化：高温下，材料的热稳定性和机械性能对燃气轮机的工作效果至关重要。

通过研究不同材料的耐热性能和机械性能，选择合适的材料用于燃气轮机的关键部件，如涡轮叶片、燃烧室和热交换器等。

3. 系统优化：燃气轮机是一个复杂的能量转换系统，在优化设计过程中，需要考虑各个部件之间的协同性。

通过改进系统结构、优化热回收装置和控制系统，提高系统整体效率和响应能力。

大型汽轮机的模块化仿真建模_苏明

大型汽轮机的模块化仿真建模上海交通大学,上海　200030　苏　明　翁史烈摘　要　根据对汽轮机这类热力系统部件特点和工质流动网络特征的分析,在EA SY5仿真支撑环境下,建立了大型汽轮机系统的模块化仿真模型。

实践表明所采用的系统分解和模块划分方法是处理热力系统仿真中普遍存在的流量压力耦合问题的一条途径。

基于该模型的实时仿真系统已在美国某电气公司用于汽轮机控制系统的调试和考核运行。

关键词　建模　汽轮机　系统仿真Modularized Simulation Modeling for a Large Steam TurbineSu M ing Weng ShilieS hanghai Jiao T ong Univ ersity,Shang hai200030Abstract　Based o n the analy sis o f st eam t ur bine co mpo nent s and its flow net wo rk,a mo dularized simula tio n component libr ary w as cr eated,which co ntains ty pical units and basic elements o f steam tur-bines.A mo dularized simulation model fo r a larg e st eam tur bine was developed under EASY5env iro n-ment.W ith this model,real-t ime simulation w as car r ied out and used in the dev elo pment and ver ification of steam tur bine co nt ro l sy st ems.Keywords　M odeling Steam tur bine System simulatio n引　言随着汽轮机性能和参数的不断提高及先进数字控制系统的广泛应用,计算机仿真在汽轮机及其控制系统的开发过程中的重要作用已无人怀疑。

燃气轮机仿真建模方式探讨

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内燃机与配件
图 2 第 II 类数学模型
为试车数据的处理工作提供参考，由于试车时会产生海量数据，此时根据仿真分析时的参数进行选择性的分析，可以大幅降低工作量。
1.4 提供燃气轮机故障预测在建立燃气轮机仿真分析模型时，在部件结构层面加入关键部件的故障变量，建立故障矩阵，通过求解来获取关键部件故障对燃气轮机整机性能的影响。这种分析方式与以往的模拟部件效率和流通能力对燃气轮机性能影响不同，可以深层次地分析故障产生原因，从而可以制定合理的措施来避免这些故障在实际试车时发生 [4]。通过以上阐述可知，由于燃机轮机整机和部件试验存在周期长、费用高和危险性高等问题，在设计阶段或者实际试验之前进行仿真分析非常重要。 2 仿真建模探讨建立准确的计算模型是进行燃气轮机性能分析的前提，而采用合理的分析方法可以使计算结构更加真实有效。由于燃气轮机是一种高速回转式动力机械，工作过程较为复杂，数学建模要以实际的气动热力学过程为基础，力求能够真实描述压气机、燃烧室和涡轮三大部件的协调匹配关系，实质是建立燃气轮机设计参数、部件特性以及共同工作条件的数学关系。 2.1 燃气轮机建模思路根据燃气轮机气动热力特性和部件特性来建立各主要部件的气动热力学方程，用来分析燃气轮机实际部件的工作特性；构造压气机、燃烧室和涡轮关键部件的共同工作关系模型，具体通过转子功率平衡和流量平衡等热力学原理沿高温高压工质流动方向进行构建；采用不同的数值方法对构造的数学模型进行求解，分析关键部件的匹配关系和各个状态点的真实性能，从而能够真实模拟燃气轮机实际工作过程。 2.2 建模方式在发动机寿命周期的不同阶段，已知的原始数据不同，要求发动机性能仿真模型的仿真内容、计算精度、计算速度也相互各异，所以模型可以按复杂程度分为几种类型。下面介绍按复杂程度分类的四种燃气涡轮发动机性能仿真模型。 2.2.1 第玉类仿真模型这种方法是依靠表格或拟合关系式来描述发动机性能，将整个发动机作为一个“黑盒子”，如图 1 所示，模型中不需要详细描述发动机内部的压气机、燃烧室和涡轮三大关键部件的工作情况和具体性能参数，对于各关键部件内部的匹配和接口尺寸关注不多。

重型燃机热力系统动态仿真模型

重型燃机热力系统动态仿真模型崔凝;王兵树;邓勇;李斌;赵文升【期刊名称】《中国电机工程学报》【年(卷),期】2008(28)2【摘要】文中采用模块化建模方法开发了燃机热力系统动态仿真模型。

利用逐级叠加法建立变几何多级轴流压气机全工况性能预估模型,在此基础上运用一维非稳态微分方程组建立压气机级的仿真模块;通过合理的简化建立以压力和焓为状态参数的微分方程组,反映燃烧室内燃气的动态变化过程;借助流体网络技术,将所要求解的级作为压力节点计算其排气压力,按照级工作原理计算其他状态参数的思路建立透平级仿真模块;结合其他相关仿真模块建立了完整的燃机热力系统实时仿真模型。

仿真试验表明所开发的数学模型能够正确反映燃机热力系统的动态特性和全工况运行过程,模型运算稳定可靠,不仅可直接应用于燃气?蒸汽联合循环机组实时仿真系统的开发,还可为燃机控制系统设计与分析提供良好的非线性对象模型。

【总页数】8页(P110-117)【关键词】燃气轮机;压气机;燃烧室;模型;仿真;算法;动态特性【作者】崔凝;王兵树;邓勇;李斌;赵文升【作者单位】华北电力大学自动化系,河北省保定市071003;深圳市广前电力有限公司,广东省深圳市518054【正文语种】中文【中图分类】TK472;TP391【相关文献】1.基于Dymola的微燃机CCHP系统动态仿真模型库研究 [J], 张雪梅;赵金狄;唐继旭2.65kW微燃机热力模型研究 [J], 陈志刚;冯亦武;周崇波;舒斌;何晓红;郑惠;3.65kW微燃机热力模型研究 [J], 陈志刚;冯亦武;周崇波;舒斌;何晓红;郑惠4.基于MATLAB/Simulink的微燃机热力模型研究 [J], 张雪梅;陈志刚;沈岑;秦朝葵;周大汉5.重型燃机叶片锻造过程的三维热力耦合有限元模拟 [J], 吕成;张立文;牟正君;邰清安;郑渠英;王丹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

300MW重型燃气轮机数学建模与动态仿真

针对以上问题，本文采用模块化建模的思想Ｌ】，推导建立了考虑压气机级间抽气和透平级内进气的新一代Ｆ级３００ＭＷ重型燃气轮机及其控制系统的动态数学模型，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件平台对该系统的动态响应特性进行了仿真研究。验证了动态数学模型的正确性和所采用控制系统的合理性，分析了在不同工况下燃烧室烟气热惯性对系统动态性能的影响。
１重型燃气轮机数学模型
重型燃气轮机热力循环的系统图，如图１所示。根据燃气轮机的设计机理采用模块化建模的方法，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立燃气轮机的模型，包括压气机模块、燃烧室模块、透平模块、转轴模块和控制模块，如图２所示。
收稿日期：２０１５－１２－１４改稿日期：２０１６—０２—０５作者简介：乔红（１９９１一），女，山西人，硕士研究生，主要研究方向：燃气轮机系统建模、仿真与控制方向及其联合循环，
Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｈ４２４８０１３＠ｓｔｕ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
第２期
３００Ｍｗ重型燃气轮机数学建模与动态仿真
２９
折合流量：ｇ＝ｇ。
（３）
上式考虑了大气参数对折合曲线的影响，图３
为压气机通用特性曲线。
图１重型燃气轮机热力循环的系统图
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某重型燃气轮机燃料控制仿真平台的搭建与研究

某重型燃气轮机燃料控制仿真平台的搭建与研究郭庆;刘月;刘尚明【摘要】为了对某重型燃气轮机的控制系统进行测试及优化,需进行大量的仿真测试.研究中首先利用容积法搭建燃气轮机高精度实时模型;然后分析燃料控制原理,搭建了包含硬件设备和上位机界面的硬件在回路(hardware-in-the-loop,HIL)仿真测试平台;接着进行仿真测试,对比不同控制参数下系统的特性;最后,通过分析实验数据可知,HIL优于纯数字仿真测试,可对控制系统进行部分优化,有利于缩短调试周期、降低调试风险,为将来试车及现场机组的调试起到一定程度的指导作用.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2016(045)002【总页数】6页(P127-131,163)【关键词】重型燃气轮机;硬件在回路;仿真测试平台;控制系统【作者】郭庆;刘月;刘尚明【作者单位】燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心,北京 100084;清华大学热能工程系,北京 100084;清华大学热能工程系,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TK471凭借较高的热转化率，重型燃气轮机在舰船、地面发电和工业驱动等多个领域得到了广泛的应用。

重型燃气轮机的研发获得了国家层面的大力支持，自2003年以来，国家发改委先后组织了多次“打捆招标”，期望以市场换技术，但目前诸如热端部件制造、DLN燃烧以及自动控制系统等核心技术仍被国外公司垄断。

因此，研发拥有完全自主知识产权的重型燃气轮机刻不容缓。

重型燃气轮机由压气机、燃烧室、透平和控制系统及辅机部分组成。

经过50多年的发展，重型燃气轮机部件设计、高温材料、隔热涂层、高温冷却等技术取得了快速发展，已经从90年代的B级发展到目前的H级(以GE的划分方式举例)，三菱甚至还推出了J级。

作为重型燃气轮机型号划分的主要依据的透平进口温度逐年提升，从低于1 000 ℃发展到约1 550 ℃；单机功率从20 MW增大到480 MW；效率从26%提高到约41%。

基于Simscape的重型燃气轮机建模与仿真研究

基于Simscape的重型燃气轮机建模与仿真研究
许萌萌;朱玉昊;冯瑞;刘永文
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2015(000)001
【摘要】现代重型燃气轮机的二次空气约占总空气通流量的20％左右，对燃气轮机整体性能有着不可忽略的影响。

为研究二次空气对重型燃气轮机的影响，采用Simscape语言编写了燃气轮机通用模块库，利用模块库搭建了重型燃气轮机模型，并验证了模型的正确性。

最后，进行了变工况仿真实验，结果表明二次空气冷却系统可以在保护高温透平的同时提高压气机效率，从而优化了燃气轮机整体性能。

【总页数】6页(P19-23,34)
【作者】许萌萌;朱玉昊;冯瑞;刘永文
【作者单位】上海交通大学燃气轮机研究院，上海 200240;上海交通大学燃气轮
机研究院，上海 200240;上海西门子燃气轮机部件有限公司，上海 200240;上海
交通大学燃气轮机研究院，上海 200240
【正文语种】中文
【中图分类】TK472
【相关文献】
1.基于Simscape的2级双作用液压缸的建模仿真研究 [J], 陈柏松;伍先俊;李兢
2.基于SIMULNK的单轴重型燃气轮机建模与仿真研究 [J], 刘尚明;李忠义
3.基于Simscape的车辆ABS建模与仿真研究 [J], 刘迎澍;刘建才
4.基于Simscape的锂电池建模与仿真研究 [J], 崔津滔;曾庆东;王天利;李晓龙
5.基于Simscape的超临界CO2换热器建模仿真研究 [J], 曹新宇
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重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论1、背景及意义☐中国制造2025✓燃气轮机主要包括叶片☐两机重大专项即将启动航空发动机和重型燃气轮机，由于其重要性，被称为工业上“皇冠上的明珠”。

航空发动机和重型燃气轮机✓涡轮叶片是燃气轮机的核心部件，其工作温度高达1100℃。

战斗机/大飞机/舰船/能源：核心动力装备燃气轮机的应用国外国产航空发动机战斗机发动机（叶片寿命）数千小时数百小时大飞机发动机（叶片寿命）约2万小时尚无主要原因高温叶片性能差后果严重制约了国防和航空业的发展。

高温叶片工业燃气轮机高效大型机组主要原因F 级+G 级+H 级+J级尚无高温叶片技术无法引进现状与国外合作生产燃机，但高温叶片制造技术遭到封锁，不能自制。

只能以每片数十万元的价格进口用能以每片数十万元的价格进口，用于新机组的制造和老机组的更换。

后果经济损失巨大、核心技术受制于人高温叶片•热端叶片是重型燃气轮机的核心部件，其制造技术主要被发达国家垄断。

例如：西门子、通用电气、三菱重工等。

国家断例西子通用气菱等•上气、哈气以及东气分别和上述三家公司合作，想要以市场换技术，但是这些公司采取整机拆装的方式对核心技术严格保密。

•某企业涡轮叶片进口费用占其整台燃气轮机机组利润的50％。

进口核心热部件费用是生产成本的主要构成。

•近期主要引进、消化吸收再创新。

但是外方封锁了热端叶片制造技术制造技术。

亟待亟待掌握掌握具有具有自主知识产权自主知识产权的定向凝固叶片材料和制备工艺关键技术！叶片微观组织的发展1背景及意义重型燃气轮机叶片尺寸更大，性能要求更高，尤其在海洋腐蚀大气的环境中要重燃叶片和航空叶片对比、背景及意义高尤海气境要求具有高的耐蚀性能，制备更加困难。

叶片的内部结构的发展经历了从简单到复杂的过程，从六七十年代的单通道内部冷却到八九十年代的多通道内部冷却，再到现在的多通道多路内部冷却。

微观组织的发展经历了从等轴晶、柱状晶及单晶的发展过程，其中单晶叶片由叶片内部结构的发展于消除了晶界，严格控制晶粒取向，因而具有优异的综合性能。

⏹主要采用高速凝固(HRS)技术和液态金属冷却(LMC)技术⏹燃机叶片定向凝固制备中的主要缺陷⏹不连续柱状晶、断晶，与择优方向的偏角过大，等轴晶（杂晶），露头晶，柱状晶粗大，再结晶等⏹偏析、雀班、缩松、开裂、变形等1、背景及意义合金设计‐材料制备工艺‐微观组织‐力学性能耦合的全过程多尺度计算的研究是当前GI/ICME 的重要发展方向。

算前定向凝固热处理感应熔炼、浇注温度、抽拉速率固溶温度、固溶时间、固溶冷速、时效温度、时效时间合金设计CastingGrain microstructure Dendritic microstructure PrecipitatesAtoms0.1‐10mm50‐500um10‐1000nm 10‐100Å0.1‐1m制备工艺从原子到发动机微观缺陷螺旋选晶枝晶臂间距、共晶相强化相界面结构宏观组织微观组织组织力学School of Materials Science and Engineering高温拉伸、持久、蠕变、疲劳等力学性能性能我们的工作1、背景及意义热导率密度组元固相平衡浓度组元液相平衡浓度组元液相线斜率比热焓潜热液相线固相线杨氏模量泊松比屈服强度塑性模量线膨数斜组元固相线斜率组元溶质分配系数组元溶质液相扩散系数组元溶质固相扩散系数线膨胀系数溶质扩散系数平均扩散系数提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论变革研发模式，实行计算—实验—理论—数据科学相融合实现低耗、高效按需设计材料实现低耗高效按需设计材料缩短材料研发周期一半，降低研发成本一半高通量作业DFT作业设计化学组成多尺度集与高通量计算驱动引擎化学组成、晶体结构、缺陷及其构型集成与算法序列算法桥输入文件生成•工作流生成标准算法流程、自定义算法流程专家知识接算法计算模型控制参数设置计算任务生成有效性校验•重复性校验•作业调度•负载平衡检错、容错、纠错数据处理、物性参数与服役行为分析验证性应用数据库及数据关联分析集成计算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）既是先进制造技术的关键共性技术，又是材料加工学科的前沿技术。

ICME 是材料基因计划的基本组成部分Integrated什么是ICME？ComputationalMaterialsEngineering集成计算材料工程的内涵：①多尺度耦合、多种方法/工具的集成②模拟与实验的集成③满足工程要求、指导研发和生产通用汽车公司铝合金发动机缸体全流程建模与仿真技术开发与应用ICME 技术应用于英国RR 公司先进航空发动机涡轮盘研发中国、美国、加拿大三国政府间科技合作项目课题1.9提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论水冷环液锡/铝石墨结晶器抽拉方向抽拉方向水冷铜板高速凝固（HRS）法液态金属冷却（LMC）原理图法原理图计算误差甚至错误。

对浮动挡板边界进行了数值处理，提高了计算精度。

并考虑了抽拉过程中液态金属的液面变化。

分五种情况讨论：1.z>h+h b +Δz2.h+h b +Δz ≥z>h+h b 3T C λ∂∂∇3.h+h b ≥z>h+Δz4.h+Δz ≥z>h5.h ≥z2s p netf T H Q t tρρ=⋅∇+∆+∂∂根据体积守恒抽()()()c h p c hd d S h S hW t t S S h S +=--拉过程的液面高度随时间的变化dN()()()()'''01T s dnn T f T d T d T ∆⎡⎤∆=-∆⎣⎦∆⎰2102K K (())exp()()n n t dt T T =--∆()2312v T k T k T ∆=⋅∆+∆界面瞬时形核模型KGT 生长模型高斯形核模型Mic Mac ,,i i i i x y zT T G L δ==+⋅⋅∑()()()()Mac Mac -1Mac +1Mac / 0 2, ,,/ 2i i i i i i i i T T i L i G i x y z T T i L i δλλδλ-∆≤⋅<⎧⎪==⎨-∆≤⋅≤⎪⎩()()()341412141021c V kD T G V VλπΓ--⎛⎫=∆- ⎪⎝⎭()()()13eut 02f 0eut ln 1661D c c t m k c c Γλ⎛⎫=⋅ ⎪ ⎪--⎝⎭一次枝晶臂计算模型二次枝晶臂计算模型☐枝晶生长模型✓溶质扩散方程∂()()01i si i i C f D C C k t t∂=∇⋅∇+-∂∂0S LC k C =12*S L LCf C C xG -=-∆1CA-FD单元捕获算法()()0**LL i LC C T T f m Γκθ=+-+1N()1211s s i m f f i a N κ=⎧⎫⎡⎤=-+⎨⎬⎢⎥+⎣⎦⎩⎭∑∏()()1cos i i ii l,m,nf θεδθ==+⎡⎤⎣⎦枝晶竞争生长模型软件的用户界面主界面菜单栏工具栏工作区状态栏定向凝固模拟软件•前处理功能（不同浆料，商用软件无法调节圆滑度）随温度变化的材料School of Materials Science and Engineering定向凝固模拟软件•求解计算模块后处理功能School of Materials Science and Engineering提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论浇注实验在东方汽轮机有限公司ALD 定向凝固炉进行。

采用MM247镍基高温合金，其液相线温度为1363℃，固相线温度为1253℃，浇注温度1500℃，模壳预热温度1500℃，模壳平均厚度8mm ，抽拉速率为4mm/min ，浇注后静置2min 开始抽拉。

对测温点进行数据采集测温点进行数据采集。

◆TC1~TC4为热电偶位置冷却曲线模拟和实验对比不同时刻糊状区模拟结果不同时刻温度场模拟结果ProCAST 模拟结果枝晶组织实验及模拟结果形核密度和枝晶臂间距的关系-1.5-1.0-0.5 C o o l i n g r a t e , ℃Experimental data:TC 1 试样的三维造型10001200140016001800200022002400-2.5-2.0sTC 2TC 3TC 4及模壳(a)试样的三维造型(b)模壳Time , s 冷却曲线模拟和实验对比晶粒组织模拟及实验结果不同抽拉速率下试样的外表面晶粒的模拟结果和实验结果对比(a) 6mm/min 模拟(b) 6mm/min 实验(c) 8mm/min 模拟(d) 8mm/min不同抽拉速率下试样的内表面晶粒的模拟结果和实验结果对比(a) 6mm/min 模拟(b) 6mm/min 实验(c) 8mm/min 模拟(d) 8mm/min实验实验枝晶臂间距模拟及实验结果200250300μm50100150P D A S , Middle line, Experimental Side line, Experimental Middle line, Simulation Side line, Simulation60700204060801001200Distance to chill, mm304050S D A S ,μm Middle line, Experimental Side line, Experimental Middle line Simulation 抽拉速度为8mm/min 时试样的一次枝晶臂间距模拟和实验对比204060801001201401601801020Distance to chill,mmMiddle line, Simulation Side line, Simulation抽拉速度为8mm/min 8mm/min 时试样的二次枝晶臂间距模拟和实验对比提纲1、背景及意义2、材料基因工程与集成计算材料工程材料基因工程与集成计算材料工程高3、高温合金叶片定向凝固模拟–数学物理模型–实验验证–工程应用实例4、高温合金叶片热处理模拟结论5、结论某三级动叶片浇注实验在东方汽轮机有限公司ALD定向凝固炉进行，使用MM247镍基高温合金。