冷却涡轮叶片敏捷设计系统CTAADS用户手册x.docx

冷却涡轮叶片敏捷设计系统CTAADS用户手册x.docx

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CTAADS使用手册

目录

1.CTAADS产品介绍 3

1.1什么是CTAADS 3

1.2本教程所针对的用户 3

1.3获取帮助 3

2.CTAADS的安装与卸载 4

2.1所需硬件配置 4

2.2CTAADS的安装与执行 4

2.2.1激活安全密钥 4

2.2.2CTAADS的安装 4

2.3CTAADS的的卸载 7

3.快速入门：

创建冷却涡轮设计 8

3.1CTAADS模块 8

3.2设计流程（案例） 10

3.2.1指定分析参数 10

3.2.2指定叶片核心区域 18

3.2.3指定内部冷却气流 32

3.2.4创建3D网格 39

3.2.5指定外部边界条件 40

3.2.6计算气膜效率和增强换热 43

3.2.7进行热分析 47

3.2.8执行稳态求解 48

3.2.9查看结果 50

3.2.10执行后处理（目前该模块不可用） 50

4.TheCTAADSsolvers 50

4.1Airfoilcore:

ClosedPassagesolver 51

4.2Internalfluidnetwork:

GFSSPsolver 51

4.33Dmesh 51

4.4Externalairfoilboundaryconditions:

STAN7solver 51

4.5Filmeffectivenessandheattransferaugmentation:

FilmEffectivenesssolver 52

4.6Thermalanalysis:

TASsolver 52

4.7Steady-statesolver 52

5.CTAADS操作界面 52

5.1Filemenu 53

5.2Editmenu 54

5.3Setupmenu 54

5.4Viewmenu 56

5.5Windowmenu 58

5.6Helpmenu 58

5.7工具条和快捷键 59

附录A：

WizardHotSpotProfileWindows（热斑轮廓向导窗口） 60

附录BImplementingUser-definedResistanceOptions（实现用户定义阻力选项） 62

附录CSoftwareLicenseAgreement（软件许可协议） 65

1.CTAADS产品介绍

1.1什么是CTAADS

CTAADS™（CooledTurbineAirfoilAgileDesignSystem）即冷却涡轮叶片敏捷设计系统或（高温涡轮气冷叶片设计分析系统），是ConceptsNREC在Windows平台下的应用程序。

该软件可以设计轴流透平的冷却静叶和动叶。

设计者充分利用软件的以下功能，便能够以较短的时间实现冷却涡轮设计：

•分析参数和文件的说明

•叶型核心定义

•三维自动网格生成

•内部冷却气流建模

•叶型外部边界条件的生成

•气模效率和强化换热计算

•热分析

•稳态求解

•后处理

虽然CTAADS是一个独立的应用程序，但它也可以与多级轴流透平机械的敏捷工程设计系统（ConceptsNRECAgileEngineeringDesignSystem）配合使用，同时也可以补充到任何现有的涡轮机设计系统中。

1.2本教程所针对的用户

本教程是专为想要了解CTAADS软件的应用或想要学习轴流冷却涡轮叶型设计的，有着工程背景的工程师，经理以及主管设计。

本教程假定读者了解空气动力学的一般原理和机械工程知识，并对涡轮机设计有一定的经验。

注意：

本教程还假定用户了解Windows环境，熟悉使用鼠标来选择和移动项目。

1.3获取帮助

用户可以通过以下几种方法来获得CTAADS的联机帮助文档：

•从帮助菜单中选择帮助主题

•在窗口或对话框，请按F1

•单击对话框中的帮助按钮

2.CTAADS的安装与卸载

2.1所需硬件配置

最低系统要求

部件

要求

处理器

Pentium®3,500MHzorequivalentIntelx86

操作系统

Windows2000,XP,orNT

硬盘空间

安装光盘

2GB的空余空间

367MB

系统内存

256MB

显卡

32MB

显示器

19”显示器（17”可视区域）推荐

16位

1024X768分辨率

定位设备

鼠标

2.2CTAADS的安装与执行

2.2.1激活安全密钥

1）连接安全密钥到电脑的并行端口或USB；

2）将含有RainbowSSD5.xx.x.exe的CD插入到电脑光驱；

3）双击RainbowSSD5.xx.x.exe；

4）按照InstallShield屏幕上的说明执行操作

当安装过程完成后，用户就可以使用ConceptsNREC程序。

注意：

这里不需要密码就能启动该程序，此信息已包含在ConceptsNREC安全密钥中。

2.2.2CTAADS的安装

当你连接安全密钥设备到你的计算机的并行端口，并且安装Sentinel系统驱动程序后，就可以安装CTAADS程序。

1）将ConceptsNRECCTAADS光盘插入电脑的光驱；

2）双击Setup.exe，InstallShield程序启动并显示CTAADS欢迎窗口，如图；

3）单击“下一步”，出现软件许可协议窗口；

4）单击“是”，出现软件说明窗口；

5）单击“下一步”，出现用户信息的窗口，显示用户姓名和公司；

6）单击“下一步”，将出现选择目标位置窗口（CTAADS软件的默认路径是

C:

\ProgramFiles\Concepts\CTAADS）；

如果选择其他路径，单击“Browse”按钮，选择用户想要的路径，单击“下一步”；

7）出现选择程序文件夹窗口，默认程序文件夹是Concepts；当然，你可以通过键入一个新的文件夹的名称来指定程序文件夹，或从列表中选择现有的文件夹。

8）单击“下一步”，出现复制文件窗口；

9）检查设置，并验证它们是否正确。

如果设置不正确，你可以单击后退按钮重新设置它们。

10）单击“下一步”，安装程序开始解压文件并将其复制到用户的计算机。

当它完成这个过程中，会出现安装完成窗口。

11）如果用户要启动CTAADS程序，勾选“是”复选框，启动该程序，然后单击“完成”按钮。

2.3CTAADS的的卸载

当用户不再用CTAADS时，可以卸载该软件。

1）关闭ConceptsNREC所有打开的应用程序；

2）从开始菜单中选择Settings–ControlPanel–Add/RemovePrograms，出现

Add/RemovePrograms对话框；

3）从软件的列表中选择CTAADS，单击Change/Remove按钮。

4）单击“是”，卸载程式启动；

5）当窗口显示卸载已成功，单击确定，用户将返回到添加/删除程序对话框。

6）单击Close按钮，重启电脑。

3.快速入门：

创建冷却涡轮叶片设计

在一个冷却涡轮设计中，CTAADS提供一个向导工具，用户可以在独立的模块指定不同的参数。

如果你是一个有经验的设计师或对CTAADS的应用很熟悉，可以以跳过这一步。

然而，向导工具可以使你快速回顾设计当中的标准参数，如果需要的话，可应用默认设置。

这对于初学者工程师了解冷却涡轮叶片设计的标准参数，或有经验的工程师快速回顾标准

参数都是非常方便的。

部分模块只有当几何模型确定后才可以应用，因此建议用户依序执行各模块。

在任何时候，用户都可以通过点击向导窗口的“Save”按钮保存用户的信息。

如果你正处于一个模块中，你可以完成当前模块或单击“cancel（取消）”以返回到主向导窗口（注意：

单击取消，向导工具不保存在以前的向导窗口中指定的任何数据）。

3.1CTAADS模块

CTAADS分为多个模块，以便组织创建冷却涡轮叶片设计中必须定义的许多详细参数。

这些模块可以通过向导工具或从“setup”设置菜单中选择命令便可轻松访问。

下面的表格详细介绍了各模块的功能：

模块

功能

分析参数

（AnalysisParameters）

此模块允许用户设置分析参数，轮廓和材料（基合金和涂层）。

从设置菜单中选择“AnalysisParameters”（分析参数）也可以指定该向导模块的可用参数。

叶型核心（AirfoilCore）

此模块允许用户定义叶型核心和创建复杂的叶型散热配置。

该模块收集的信息将与“3D自动网格”、“内部冷却气流”，以及“气膜效率和强化传热”模块共享。

从设置菜单中选择“AirfoilCore”（叶型核心）也可以指定该向导模块的可用

参数。

内部冷却气流

（InternalCoolingAirflow）

此模块可让用户生成和求解能够代表整个冷却配置的一维流体流动网格。

从设置菜单中选择“InternalCoolingAirflow”（内部冷却气流）也可以指定该向导模块的可用参数。

三维网格（3DMesh）

此模块允许用户将具有“封闭通道”的ParaSolid叶型几何生成三维的有限元表示，TAS求解器导入为内部区域定义的所有模型部分，并在每个模型部分查询具有“封闭通道”的ParaSolid叶型几何。

然后，它将几何信息写入到一个

TAS的中间文件。

从设置菜单中选择“3-DAutoMesh–TASGenerateMesh”也可以指定该向导模块的可用参数。

外部边界条件

（External

BoundaryConditions）

此模块允许用户定义叶型外部的边界条件，包括叶型外部

的传热系数和绝热壁温。

该模块使用STAN7程序来求解外部边界条件。

STAN7基于一个二维模型。

使用STAN7模型，

CTAADS在多个叶型区段的压力侧和吸力侧执行对边界层速度和温度分布数值求解。

从设置菜单中选择“ExternalBoundaryConditions”（外部边界条件）也可以指定该向导模块的可用参数。

气膜效率和强化传热（FilmEffectivenessandHeatTransfer

Augmentation）

此模块允许用户为气膜效率和强化传热的求解定义参数，以及为用户设计的每个部分指定气膜特性曲线和气膜覆盖（filmcurvesandfilmcoverage），从设置菜单中选择“FilmEffectiveness”也可以指定该向导模块的可用参数。

热分析（ThermalAnalysis）

此模块允许你创建和求解热分析系统（TAS）模型。

从设置菜单中选择“ThermalAnalysis”（热分析系统）也可以指定该向导模块的可用参数。

稳态求解器

（Steady-StateSolver）

执行稳态求解是完成热分析的一个重要步骤。

稳态求解器执行所有CTAADS中求解器的迭代求解。

然而，在你运行稳态求解算器之前，用户必须已经运行了封闭通道求解器，并生成三维网格（使用TAS求解器）。

具体的设计流程：

3.2设计流程（案例）

3.2.1指定分析参数

创建一个新的涡轮冷却设计的第一步是指定基本的分析参数。

应用CTAADS的向导工具可以轻松实现这一步。

本用户手册以“CooledBladeRadial_CRS.cta”例子为示范，该例子的默认路径是“C:

\ProgramFiles\Concepts\CTAADS\Files”。

1）从“File”命令中点击“open”并在默认路径下选择“CooledBladeRadial_CRS.cta”。

（注：

如果想创建一个新的设计，选择“File”命令中的“new”。

2）从“File”命令中点击“Wizard”，进入CTAADS的主向导界面。

（注意：

部分模块不可用，因为在应用这些模块之前，必须先指定必需的信息；如果创建新的设计，只有AnalysisParameters和AirfoilCore两个模块可用。

）

3）单击“AnalysisParameters”，出现如下窗口。

对叶型进行基本描述，包括第几级、总叶片数、高压或低压，以及动叶或静叶。

4）单击下一步，选择公制或英制。

5）单击下一步，出现定义设计点窗口，这一步用户可以直接指定分析设计点。

透平叶片分析经常在最坏的工况或涡轮运行的临界点，这些涡轮运行工况都可以通过定义合适的设计点来加以考虑。

定义参数包括设计点的总温、总压、透平速度、流率。

“Enginecoremassflowrate”可用于定义冷却气流的质量流量（核心质量流量的百分比）。

6）单击下一步，出现冷气供应设置窗口。

在此窗口中，用户可以指定冷却空气供应来源的数量。

（注：

静叶冷却方案中，通常具有不止一个冷气供应来源）

7）单击下一步，定义冷却空气参数。

对每一个冷气源都要指定温度和压力参数。

具体输入数值的定义见下表。

压气机出口温度％（百分比）

（基于绝对温度）

T_Cool_In=（数值/100）×压气机出口温度

温度增量（基于压气机出口温度）

T_Cool_In=压气机出口温度+增量

输入值

T_Cool_In=输入值

压气机出口压力％（百分比）

P_Cool_In=（数值/100）×压气机出口压力

输入值

P_Cool_In=输入值

8）单击下一步，出现叶片前缘运行工况窗口（AirfoilLEOperatingConditions）。

此窗口允许用户选择合适的方法来指定前沿气体通道平均温度，并且动叶分析应该基于相对总温度，静叶分析基于总温。

具体参数定义如下：

透平入口温度％（百分比）

（基于绝对温度）

T_Gas_Avg=（数值/100）×涡轮进口温度

温度系数

T_Gas_Avg=涡轮进口温度-数值×（涡轮进

口温度-涡轮出口温度）

输入值

T_Gas_Avg=输入值

9）单击下一步，定义叶片前缘运行工况下平均温度分布。

平均温度分布代表叶片前缘气体通道温度在展向上的变化。

因为动叶是旋转的，因此转子上的所有动叶都会经历由平均温度分布所定义的气体通道温度。

叶型因

子

T_Gas_Local=T_Gas_Avg+数值×（燃烧器出口温度

-压气机出口温度）

温度增

量

T_Gas_Local=T_Gas_Avg＋温度增量

在表格中输入适当的展向百分比数值和温差数值，增加或减少行，可单击InsertRow

或RemoveRow；单击CalculateT_Gas_Local可更新T_Gas_Local中的数值；单击Graph

Values或GraphT_Gas_Local可得到展向上的平均温度分布或展向上的T_Gas_Local分布。

10）单击下一步。

（注意：

对于静叶设计，两个额外的窗口会出现，“热斑”分布定义窗口和“热斑”加热分布定义窗口，详见附录A：

WizardHotSpotProfilewindowschapteronpage）出现叶片前缘平均压力分布定义窗口。

平均前缘压力是在叶片前缘的展向平均气体压力。

压力分布代表气体通道压力在上的展向变化。

窗口界面下的各个按钮与温度定义窗口相似。

压气机出口压力％（百分比）

P_Gas_Avg=（数值/100）×压气机出口压力

压力因子

P_Gas_Avg=透平进气压力-压力因子×（透平

进气压力-涡轮出口压力）

输入值

P_Gas_Avg=输入值

11）单击下一步，出现基合金定义窗口。

此窗口允许用户定义基合金的物性，并指定涂层。

所有数据可以被指定为一个固定值，或指定为温度的函数。

（有涂层的结构，勾选ceramic

coating或metalliccoating）

如果用户选择Array复选框，然后单击查看按钮，出现数组数据对话框，允许用户指定温度分布和所选变量的对应的数据。

用户在这对话框最多可以指定20个项。

12）单击下一步，出现涂层定义窗口，在此窗口中，用户可以指定一个陶瓷涂层的厚度和密度。

所有涂层被认为是自重，没有承载能力。

13）单击下一步，出现的向导模块完成窗口，表示用户已完成指定的分析参数。

（注：

此窗口不确保已指定所有必要的数据或参数是合理的。

）

14）单击“Finish”，再点击主向导欢迎窗口的“Save”，来保存信息。

3.2.2指定叶片核心区域

向导的第二个模块允许用户定义叶型核心和创建复杂的叶型冷却结构。

这个模块中收集的信息将与3D自动网格、内部冷却气流、和气膜效率模块共享。

1） 在主向导欢迎界面单击“AirfoilCore”，出现外部叶型定义窗口。

在第一个框中，键入具有外部“热”涂层的叶片名（或单击浏览按钮选择文件），，点击“LoadFile”按钮，将数据导入到CTAADS中，出现显示原始叶型的窗口。

（注意：

CTAADS采用修正过的ConceptsNRECAXCENTIGES文件，修正过的文件在标题部分包含额外的信息，描述了叶型前缘和为尾缘处的几何结构；这个文件还包含位于涡轮顶部死区中心的叶型，并且该文件已经将一个修复程序纳入到几何单元中。

目前只有应用AXCENT程序，应用某些选项生成的IGES文件才能够合适地导入到CTAADS中）

勾选“Strip（去除）totalcoatingthicknessfromairfoil”复选框，使CTAADS将这个

“热”裸叶片输出到ParaSolid文件，剥离叶片的功能可确保最终制造产品符合你的设计意图。

在接下来的框中，指定的Parasolid输出文件的名称（使用文件扩展名为.X_T或.IGS），或单击浏览按钮，选择一个现有的Parasolid文件。

单击“WriteFile”按钮，生成定义原始叶型或裸叶型的文件。

2）单击下一步，出现定义径向高度的窗口。

指定叶片前缘0%和100%展向处的径向高度

（0％和100％展向是根据叶片前缘和端壁流动通道之间的交点定义的），核心模型部分的跨度是根据此窗口中规定的径向高度确定的。

4）单击下一步，出现径向高度部分定义窗口。

此窗口允许用户选择哪个部分用来定义叶片核心，指定的其它部分可用于内部流模型中。

选择一个法则用于指定数据（递减的径向高度或递减的百分比）。

根据选择的方式，输入数据。

在构建叶片核心时，这些数据用于控制叶片壁面厚度分布。

（最少划分为5部分，展向0%、25%、50%、75%和100%）

在CoreDefiningSection单元格选择用户想定义为叶片核心的部分（定义的核心部分的径向高度必须落在最大值和最小值之间）。

5）单击下一步，定义肋结构。

这个窗口允许用户定义肋的基本参数，这一选项将应用于所有肋结构（如果用户的冷却结构没有肋，这里指定的信息将被CTAADS忽略）。

Ribdraftangle框中，输入肋的拔模角度（3°的拔模角度通常被采用，以确保可生产陶瓷芯）；选择肋的光顺的类型，曲线、直线或无（具有双通道冲击管结构的静叶必须采用straight（直）肋光顺）

6）单击下一步，出现壁面和厚度定义窗口，该窗口允许用户指定叶片壁面厚度，具体详见插图。

（注：

上述FOD壁厚是在动叶吸力侧前部区域所允许的最小壁厚，且只适用于动叶）

7）单击下一步，出现各部分壁面厚度定义窗口。

指定每个部分标称壁厚和前缘壁厚（注：

标称壁厚要小于叶片前缘壁厚，并且在整个叶片上单调增或单调减）。

为了帮助用户可视化这些厚度参数的位置，点击ViewDiagram查看。

8）单击下一步，出现动叶前缘冷却结构窗口，此窗口允许用户指定叶型是否有专门的前缘进给通道和前缘冷却类型。

没有专门的前沿进给的冷却方式由中间区域向前缘供给冷却空气，有专门的前沿进给的冷却方式由一个单独的通道向前缘供给冷气（radialflow：

前缘为一个径向腔室，肋的定义为前缘腔室和叶片中间部分第一个通道间的肋壁；

impingement：

前缘为冲击腔室，肋的定义为冲击腔室与专门供气通道间的肋壁）。

示例有着专门的前缘进给通道，并且是径向流动冷却。

如果用户定义前缘的冷却方式为冲击冷却（无论是有或没有专门的前缘进给），出现冲击冷却窗口，如下。

9）单击下一步，如果用户指定前缘有专门进给（radialflow或impingement），定义专门进给的窗口如下。

在这个窗口用户可以定义专门进给通道和叶片中间部分第一个通道之间肋壁的参数，如倒圆半径、厚度和拔模角度。

10）单击下一步，定义叶片中间部分的冷却结构。

此窗口允许用户指定的中间部分冷却结构的类型。

该窗口适用于带有对流冷却的动叶和静叶。

有三个选项可供选择，用以创建通道。

Radial：

该选项可以允许用户定义多个通道（通过在通道数量框中输入数值），最大的核心通道数为9。

（核心通道可以包括径向/蛇形中间部分通道，以及前缘和尾缘的专用进给通道。

例如，如果有两个专用进给通道，那么用户可以指定中间部分通道的最大数是7；

如果没有专门的进给通道，那么最大数量为9）

3-passserpentine：

此选项允许用户指定三个蛇形通道。

5-passserpentine：

此选项允许用户指定五个蛇形通道。

11）单击下一步，出现中间部分肋的定义窗口。

指定每一个中间通道的倒圆半径、拔模角度和肋厚等参数（此窗口中出现的通道数为上一个窗口定义通道数减1）

12）单击下一步，定义尾缘冷却结构。

指定是否有尾缘单独冷气进给，以及尾缘排放类型，Centerdischarge或PS（pressureside）cutback.。

单击下一步，定义肋参数，具体操作（定义倒圆半径、拔模角度和肋厚）与前缘类似。

13）单击下一步，定义Centerdischarge或PScutback的几何参数。

14）单击下一步，定义尾缘冷却结构。

如果你指定为中心排放尾缘结构，那么只有扰流柱阵列选项可用；否则，选择尾缘冷却采用PScutback的类型。

尾缘冷却选项是独立于叶片中间部分冷却结构。

15）点击下一步，在窗口的框中输入适当的数值。

16）点击下一步，示例中采用扰流柱阵列结构。

定义扰流柱的排数、类型以及尾缘出口槽缝。

点击DefinePedestalArray，定义扰流柱排的参数。

点击DefinePedestals，来定义每个单独扰流柱的具体信息。