一、名称

　　太泽透平集成设计研发平台 V5.0(TurboTides 透平机械一体化设计平台)

　　二、概述

　　TurboTides 设计系统是一个高度集成的、一站式设计系统，涵括了透平机械设计全流程所需的各种工具， 包括循环分析、一维中线设计、二维通流计算、三维 CFD、三维 FEA、转子动力学、多学科优化以及内嵌数据库等核心模块（图一）。各个模块之间的数据传递完全自动化、无失真，实现了各个设计流程之间的 “无缝衔接” ，提高了透平设计过程的效率。内嵌的优化器，方便调用一维、二维、三维 CFD 及 FEA 求解器进行多层次局部或整体多学科、多目标优化， 为设计人员迅速接近设计目标创造了条件。

图 1 透平机械一体化设计平台

　　三、产品介绍

　　在市场上与客户进行多次技术交流，建立在 TurboTides 系统基础上的、为透平机械行业开发的设计软件，能满足客户的持续研发更新和应用方面的以下关键需求：

　　第一，快速准确的一维设计分析。TurboTides 采用了业界权威、专家级的模型来计算损失、偏移角和堵塞，进行初步选型并生成 1D 流道几何模型，支持可调喷嘴，IGV，可调静叶，双流道蜗壳， 诱导轮等。

　　TurboTides 通过使用针对不同机器类型的设计准则，帮助用户创建一个好的初始设计方案。

　　第二，功能强大的集合建模及参数化调整功能。TurboTides 能够快速生成几何文件，且方便的对通流部件加/减/编辑调整。支持各式转子，扩压器，蜗壳，回流器，诱导轮、可调叶片及多类翼型。此外内嵌的 CAD导入能力可以将压缩机的每一排叶片的三维几何构型精确导入，并进行参数化。

　　第三，功能强大、结果可靠的 CFD 及 FEA 功能。能够对用户在TurboTides 中设计的任何方案进行快速的性能及强度校核。

　　第四，设计入库，积累设计经验，方便再使用。模型机几何模型，数字模型，仿真结果等都可以存储在 TurboTides 内嵌的数据库中， 方便设计经验的积累，实现设计的进一步优化和更新换代。

　　第五，校准的数字样机。数字样机可以对压缩机在各种运行工况，以及各种系统设置情况下的整机的气动和结构性能进行准确预测。例如，在进口工况、工质、转速、静叶安装角等变化的情况下， 如何对整机的压比、效率等进行快速而准确的评估， 这是一个极具挑战性的课题。

　　TurboTides 的 CFD 和 FEA 模块可以对单级和整机进行三维气动和结构性能计算，为数字样机提供高精度仿真数据。TurboTides 独特的 Data Reduction 技术，可以将实验数据和高精度仿真数据导入一维模型进行校准， 形成快速准确的单级数字模型机和整机数字样机。

　　第六，满足快速选型设计的需求。在工程应用中，经常需要根据用户的特殊需求，尽快形成初步的选型设计方案。常用的技术包括： 对原压缩机进行级数增减；对原机进行几何放缩； 对原叶轮进行切割； 对静叶安装角进行调整等。TurboTides 的模化设计技术可以对新的设计的可行性进行快速评估， 对新设计的性能进行快速准确预测。

　　任何一家商业软件，都不可能独立实现上述所有功能。TurboTides系统可以为客户提供最全面的整套离心压缩机/涡轮设计解决方案。下面将相关的 TurboTides 核心技术进行一个简单介绍。

　　1、系统循环模块

　　 支持朗肯循环、制冷循环、涡轮增压、燃气轮机、超临界 CO2 循环系统；

　　 针对各循环提供设计、分析模式求解计算，并根据求解模型提供流体工质、系统布局、机器、管路等设置；

　　 能够根据给定的设计工况、设计约束及要求，完成系统热力循环整体方案设计；

　　 根据循环系统设置，完成系统热力循环分析，得到各循环性能以及各机器进出口工况；

　　 与一维中线求解器相连，在循环设计分析过程中可调用一维中线求解器进行压缩机和涡轮的初步设计和分析；

　　 调用数据库中透平机械的性能曲线，实现对循环的整体分析计算。

　　2、一维设计分析

　　支持透平机械的快速初步尺寸设计和性能分析功能，包含以下功能：

　　 丰富的工质库，包含空气、氦气、氢气、氮气和氧气等“NIST”

　　真实工质物性库，并可以准确快速进行上述工质物性的计算；2023 中国制造业智能制造优秀推荐产品自荐表

　　 支持单级或多级的离心/混流压缩机、径流涡轮及离心/混流泵子午面和叶型设计，预测设计后的性能，并提供内容丰富的计算结果报表功能，内容包括整机及各部件性能参数、气动参数以及几何参数，且支持自定义需要显示的参数；

　　 提供整体性能曲线预测功能，包括失速、喘振预测计算，不同转速对应性能预测；

　　 提供用户自定义函数功能（UDF）便于用户更改程序的默认模型和功能；

　　 具有特色的数据修正功能（Date reduction）可以校准一维模型中的损失、滑移和堵塞模型功能，使其在整个性能图上逐点和试验/仿真

　　数据相匹配；

　　 支持缩放、切割、流道剪切等功能，且基于修正后模型完成上述操作，能够准确预测其性能；

　　 内嵌操作便捷的优化器，支持对叶轮、扩压器以及蜗壳等过流部件快速优化。

图 2 工质库2023 中国制造业智能制造优秀推荐产品自荐表

图 3 一维设计分析结果

　　3、几何建模, CAD 导入和参数化模型

　　支持单级和多级离心/混流压缩机及径流涡轮的几何建模，CAD 导入

　　和参数化模型功能，包含以下功能：

　　 流道部件编辑功能：通流部件加/减/编辑调整。支持各式转子，扩压器，蜗壳，回流器，诱导轮、可调叶片及多类翼型。

　　 机械特性编辑功能：倒角、轴孔， 轮盘， 轮盖，心形轮盘等编辑功能。

图 4 集合生成模型图及机械特性编辑

　　 强大的几何导入功能：全流道导入、参数化建模（将外部模型内部化并实现完全可编辑）、高准确性（与原始模型导入对比功能）

　　 反向生成一维模型：将导入的三维模型反向导入到 1D 模块之中，提取几何特征生成一维模型

图 5 导入后与原模型结果对比（银色代表原模型，粉色代表导入后生 成模型）

图 6 导入后生成可调整的参数化模型

　　4、气动结构仿真：CFD 和 FEA

　　（1）二维通流 CFD

　　基于流线曲率法，能在几何建模环境下进行高效、高准确性的二维通流分析，从而能够快速的根据二维结果，如速度、压力及角度分布等，对模型进行局部调整，实现几何调整与性能分析的快速迭代，可根据需要在单排叶片、一整级或多级上使用。可自动调用二维求解器实现二维优化设计，基于优化目标实现自动迭代，快速寻找优化方向和方案。

图 7 通流计算

　　（2）全三维 CFD

　　TurboTides 针对透平机械开发了专业准确稳健的 CFD 模块，该模块与 TurboTides 三维几何设计模块无缝衔接，用户可将几何一键导入CFD 模块中，无需进行额外的几何模型处理工作。

　　此外通过全自动前处理功能，用户只需几次按键即可设置 CFD 运行， 设计人员可以毫不费力地获得完整的三维 CFD 计算解决方案，而不是通流解决方案。

　　 自动生成网格

　　TurboTides 的网格生成模块能够自动在三维模型中进行几何特征提取和缺陷修复，结合自主研发的结构化网格算法和高可靠性的非结构网格算法，真正实现了一键式全自动网格生成。用户只需点击相关按钮，TurboTides 就会根据模型的几何特征，自动选择合适的网格类型和参数，并对一些关键特征，如叶顶间隙及壁面，进行特殊处理和优化，直至生成符合求解器要求的高质量网格。

图 8 CFD 网格示意图

　　 内嵌前处理和后处理

　　用户基本上无需关心边界条件的施加和运行工况的指定，TurboTides 一体化平台的特点。此 TurboTides 提供专业的后处理功能，如矢量、云图、叠加显示、分段显示。

图 9 CFD 后处理

　　 精度与 CFX 可比

　　TurboTides 消除了通用软件的许多冗余功能，针对叶轮机械流场分析实现了高度专业化，在计算准确性方面，完全媲美 ANSYS® CFX，并具备 MPI（多核并行）等高级功能。此外为方便客户进行第三方校验工作，TurboTides 还提供了相应的 CFX 接口。

　　（3） 有限元分析（FEA）

　　叶轮机械产品设计需同时满足性能和产品寿命标准， 用户利用集成在 TurboTides 设计系统中的 FEA 工具，可将几何模块中模型进行快速的有限元分析。 用户在几何初步生成后就能立即完成此操作，因此设计过程中可以比以往更早地进行结构分析；用户也可以再完成 CFD求解后完成此操作，此时 FEA 模块会将 CFD 结果映射到相应的流面上，从而使得结构分析结果更加准确。

　　 自动 PI 切面，自动生成网格。

　　TurboTides 的网格生成功能能够自动在三维模型中进行几何特征提取和缺陷修复，及 PI 切面，同时结合自主研发非结构网格算法，实现了一键式全自动网格生成。此外 TurboTides 能根据模型的关键几何特征，如叶根导圆、前（尾）缘面等，自动调整网格的疏密及设置，以生成符合求解器要求的高质量网格，同时 TurboTides 允许用户自定义关键区域的网格密度。

图 10 FEA 网格示意图

　　 内嵌前处理和后处理

　　运行工况及边界条件自动施加，可最大程度的减少了前处理的时间，极大的为用户节约了时间成本。用户可以自定义固体材料，线性/非线性，随温度变化的材料物性等，满足结构强度、热分析等有限元分析需求。

　　此外针对单个有限元模型，可在同一个 TurboTides 框架下进行多组边界条件、运行工况、材料物性的分析。

　　TurboTides 中包括了“一键”解决方案，其包括所有必要的后处理功能，用户可以查看应力/应变显示云图，坎贝尔图、干涉图及文本报告。

　　 应力应变分析

　　TurboTides 能对对叶轮的静强度进行快速的分析，并得到线性静态的结果，应力及应变的云图。

图 11 应变与应力云图

　　 热传导分析

　　TurboTides 可将 CFD 中结果中的气动温度以及对流换热系数自动应用于流场表面，从而得到热力图像，同时计算热变形等。

图 12 热力图像

　　 振动模态分析

　　TurboTides 能对叶轮进行快速的模态分析，用户可以查看模态形状、坎贝尔图及干涉图等。

图 13 坎贝尔图

　　 精度与 ANSYS Mechanical 可比

　　TurboTides 消除了通用软件的许多冗余功能，针对叶轮机械流场 分析实现了高度专业化，在计算准确性方面，完全媲美 ANSYS Mechanical。此外为方便客户进行第三方校验工作，TurboTides 还提供了相应的 ANSYS 以及 ABAQUS 的接口。

　　5、优化模块

　　 在一维中线模块中，需提供叶轮、扩压器及蜗壳的相关参数的优化，且需提供多目标优化功能，以满足设计点和非设计要求；

　　 在二维通流和叶间计算模块中，在三维几何模型中以最小化或平滑叶片载荷为目标，能对叶片角分布及子午流道分布进行自动的优化调整；

　　 提供多种优化算法，如参数研究、拉丁超立方体抽样 LHS、网格自适应搜索、最大化期望提高算法、遗传算法等；

　　 提供 Javascript 脚本设置界面对求解器算法、优化目标进行用户自定义设置。

　　6、知识库管理模块

　　 提供关键设计数据和经验公式的集中化存储管理、安全访问、查找和控制功能；

　　 提供多种数据类型供用户进行数据记录的创建、删除、录入、编辑、管理，如压缩机、涡轮、设计点、流体工质、性能图等，并可进行

　　附件的添加，支持文件格式.tml、.sml、.csv、.txt 等；

　　 知识库需与各个核心计算模块有 I/O 接口，能随时将计算模块的部件或全部结果进行存储和管理，如算例、整机、单级、单部件、流体工质、运行工况点等数据，同时，在各模块中可导入知识库已存数据进行进一步的研究计算；

　　 针对各数据类型提供数据信息显示界面，包含创建信息、关键参数、逻辑信息、性能图形显示等；

　　 支持数据逻辑关系添加，包括父/子关系与链接，界面显示其逻辑关系超链接，鼠标点击可跳转到该链接记录显示界面；

　　 提供数据记录可视化管理与搜索功能，可根据关键性能参数和几何参数（压比、效率、流量、尺寸等）进行搜索查询；也可根据关键字（名称、创建人、时间等）进行搜索查询；支持多逻辑搜索，具备复杂逻辑搜索（或、且）功能；

　　 支持用户自定义数据纪录类型并指定属性，方便用户的数据库的扩展和客户化；

　　 提供性能图数据编辑功能，可进行剪切、缩放、对比、类型转换等操作。

　　四、实践及效果

　　合肥太泽及相关客户利用该软件已经完成了近 100 多个工程项目，主要项目名称如下：

　　 35KW 微型燃气轮机整机设计与样机制造

　　 天然气余压发电透平膨胀机整机设计

　　 有机朗肯循环（ORC）的涡轮发电系统设计

　　 燃料电池高速空压机的气动与结构设计

　　 20HP~100HP 离心式制冷压缩机气动设计

　　 0.24kg/s 双级离心式制冷压缩机气动设计

　　 100m^3/min 高速鼓风机气动设计

　　 局部进气轴流涡轮气动设计

　　 低温升 MVR 压缩机气动设计

　　 2t/h 蒸汽压缩机气动设计

　　 0.64kg/s 加中冷两级离心压缩机气动设计

　　 多款曝气鼓风机气动与结构设计

　　 多款风机改型气动设计

　　（1）703 350KW ORC 涡轮气动设计

　　开展中国船舶重工集团公司第 703 研究所进行 R134a 涡轮部件设计工作。针对提出的设计要求，从总体层进行分析，以选取最优的涡轮运行工况，并开展涡轮部件的设计，仿真效率 87%。该项目已经完成样机装配及测试，试验结果与设计一致，总起循环性能超出预期。目前已经开展小批量生产。

图 14 ORC 涡轮设计

　　（2）Danfoss 双级制冷离心压缩机设计项目双级制冷离心压缩机设计项目是基于客户现有的结构框架下进行的性能改造设计，工质为 R134A，最终气动仿真效率在设计点达到 90%以上，相比原型机的仿真效率提升 3 个百分点，原型机已经为定型产品。

图 15 制冷压缩机设计

　　（3）西安嘉慧风机改进设计项目蜗壳不变，仅对叶轮进行改进，避免了原型机额定工况下电机易超功率问题，客户已进行样机制作与测试，与设计结果基本吻合。

图 16 风机设计