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      葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用分析

      2013-01-29 23:07:28華國(guó)忠
      中國(guó)科技信息 2013年24期
      關(guān)鍵詞:熱斑靜葉動(dòng)葉

      華國(guó)忠

      北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評(píng)價(jià)中心有限公司無(wú)錫分公司, 江蘇 無(wú)錫 214174

      1 數(shù)值模擬法

      為研究和分析葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移所產(chǎn)生的影響,文章選用了數(shù)值模擬法來(lái)進(jìn)行該項(xiàng)作業(yè)。在數(shù)值計(jì)算中,所用軟件為Numeca,并借助于三維非定常方程組來(lái)進(jìn)行求解。其中在空間離散上采用了中心差分格式,在時(shí)間離散上采用的是四階Runge-Kutta法來(lái)進(jìn)行迭代求解。此外,在非定常計(jì)算過(guò)程中,采用的方式為雙重時(shí)間步法。

      在本次研究中,所研究的對(duì)象其葉片數(shù)目分別為10、20以及40,在計(jì)算過(guò)程中,通道的數(shù)目比例為1:2:4。因渦輪葉片一般成組安裝與加工,對(duì)此,在這種形勢(shì)下,就會(huì)成組地出現(xiàn)安裝角偏差。鑒于此,在研究和分析過(guò)程中,把四個(gè)動(dòng)葉中間兩個(gè)葉片所產(chǎn)生的安裝角降低了2°,以此來(lái)進(jìn)行安裝角偏差的模擬,在此將原型定義為算例1,而動(dòng)葉安裝角所存偏差情況定義為算例2。在計(jì)算過(guò)程中,靜葉與動(dòng)葉為H-O型網(wǎng)格,而支板則呈H型網(wǎng)格,且第一層網(wǎng)格y+低于10。

      除了滿足上述需求以外,在研究和分析過(guò)程中,還需明確邊界條件。在本次研究中,總壓呈均勻分布,而總溫為非均勻分布,其熱斑呈圓型,其圓心處于展向50%的葉高位置,且正對(duì)著靜葉的前緣,同時(shí)熱斑的直徑是靜葉進(jìn)口展高的二分之一,熱斑中心的總溫和周圍總溫之間的比例是1.5:1,且其總壓比是1:1。在固定位置給定了相應(yīng)的無(wú)滑移邊界與絕熱條件;在轉(zhuǎn)子/靜子的交界面上也給定了相應(yīng)的邊界條件,即“Domain Scaling”;除此之外,在葉片通道兩側(cè)邊界位置也給定了相應(yīng)的周期性邊界條件。

      2 葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用的分析

      從研究的情況來(lái)看,盡管靜葉壓力面中熱流體逐漸向葉尖端區(qū)域與葉根擴(kuò)散,但其吸力面中熱流體沿著徑向基本上未擴(kuò)散。因靜葉中二次流相對(duì)較弱,因此在葉高的方向,熱斑所產(chǎn)生的擴(kuò)散并不是特別明顯。從計(jì)算與研究的結(jié)果來(lái)看,相對(duì)于算例1而言,在算例2中,動(dòng)葉安裝角偏差對(duì)于靜葉通道內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的影響并不是很明顯,同時(shí)在其通道內(nèi)熱斑遷移基本上也未受較大影響。

      從算例2的研究情況來(lái)看,動(dòng)葉通道中通道渦二次流較強(qiáng),在其不斷向下游發(fā)展的過(guò)程中,基于二次流的不斷作用,動(dòng)葉吸力面的某一側(cè)熱氣流逐漸向大約40%葉高處聚焦,而在壓力面一側(cè),其熱氣流則逐漸擴(kuò)散至葉尖方向,并覆蓋了大部分的壓力面。就兩種算例而言,算例2中葉片吸力面的前半段,其熱負(fù)荷明顯比算例1大,特別是動(dòng)葉,其后半段葉尖與葉根所處低溫區(qū)域逐步變大,且其熱負(fù)荷逐漸變小,使得葉片整個(gè)吸力面溫度呈現(xiàn)出一種不均勻增大狀態(tài)。在算例2中,造成動(dòng)葉壓力面的熱負(fù)荷不斷減少的主要原因就在于動(dòng)葉2與動(dòng)葉3安裝角相對(duì)原型而言,要小很多,使得動(dòng)葉進(jìn)口熱流體對(duì)于動(dòng)葉2與動(dòng)葉3的攻角不斷減小,使更多熱流體向吸力面聚焦,最終造成吸力面的熱負(fù)荷不斷增大,而壓力面的熱負(fù)荷卻不斷地減小。

      為將二次流不斷作用下動(dòng)葉通道內(nèi)遷移軌跡清晰地展現(xiàn)出來(lái),分別在不同軸向弦長(zhǎng)下,對(duì)動(dòng)葉總溫實(shí)施了分析和研究。從其研究的結(jié)果來(lái)看,在25%軸向弦長(zhǎng)下,轉(zhuǎn)子通道內(nèi)通道強(qiáng)渦強(qiáng)度相對(duì)較大,且在通道的上半部分中二次流不斷驅(qū)動(dòng)下,動(dòng)葉壓力面中一側(cè)熱流體逐步移動(dòng)至葉尖位置;而在通道的下半部分二次流不斷驅(qū)動(dòng)下,其熱流體逐漸聚焦至吸力面的輪轂角區(qū)。在熱斑不斷向下游進(jìn)行遷移時(shí),基于二次流的不斷作用,動(dòng)葉吸力面一側(cè)熱流體就會(huì)逐漸移動(dòng)至壓力面,而吸力面輪轂角區(qū)中的熱流體則會(huì)沿著吸立面移動(dòng)至葉中,并和吸力面一側(cè)熱流體匯合在一起。

      從研究的結(jié)果來(lái)看,動(dòng)葉安裝角偏差對(duì)于靜葉通道中溫度分布并未產(chǎn)生較大影響,但是對(duì)于動(dòng)葉通道中溫度分布卻產(chǎn)生了較為明顯的影響,同時(shí)動(dòng)葉出口的溫度分布相對(duì)于原型而言,也發(fā)生了較為明顯的變化,而這種變化也使得高溫區(qū)周向位置與大小也發(fā)生了一定的變化,繼而造成支板通道中溫度分布也發(fā)生了相應(yīng)的變化。當(dāng)熱斑在通過(guò)支板通道、靜葉通道以及動(dòng)葉通道中傳播以后,其截面的溫度分布也變得較為復(fù)雜,因高溫區(qū)和低溫區(qū)呈一種交替分布方式,再加上在熱斑傳播中受到相應(yīng)的二次流作用,使得高溫區(qū)逐漸從葉中擴(kuò)散至葉尖與葉根,盡管高溫區(qū)性狀并未發(fā)生較大的變化,但是其溫度大小以及位置卻發(fā)生了較大的差距。因在算例中,其中間兩個(gè)動(dòng)葉安裝角逐漸變小,使得動(dòng)葉出口的氣流角也不斷減小,在葉片安裝偏差的情況下,高溫區(qū)周向位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,其相對(duì)于原型而言,逐漸偏移至支板的吸力面。

      評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要的指標(biāo)就是渦輪的排氣溫度,同時(shí)該指標(biāo)也是測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)所需的一個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)上述內(nèi)容的分析可知,相對(duì)于原型而言,動(dòng)葉安裝角偏差會(huì)造成熱斑在支板通道內(nèi)出現(xiàn)周向偏移,在這種偏移逐漸被傳播至下游渦輪的出口截面時(shí),必然會(huì)使出口排氣溫度出現(xiàn)變化。對(duì)此,在實(shí)際進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試時(shí),綜合考慮在同一實(shí)驗(yàn)條件下,應(yīng)對(duì)兩個(gè)批次相同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量,因兩個(gè)批次發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)葉在安裝與制造上可能會(huì)存在著一定的偏差,而這種偏差造成排氣溫度測(cè)量所出現(xiàn)的偏差也相對(duì)較為可觀;或在同一工況下對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)量,在拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)以后再次實(shí)施測(cè)量,其發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角也可能會(huì)存在著一定的偏差,而這種偏差造成排氣溫度所出現(xiàn)的測(cè)量偏差也是非??捎^的。鑒于此,在借助于排氣溫度診斷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),應(yīng)注意兩個(gè)方面的內(nèi)容,即氣動(dòng)性能與熱斑遷移作用所產(chǎn)生的變化均會(huì)造成排氣溫度發(fā)生較為顯著的變化。

      結(jié)束語(yǔ)

      文章就數(shù)值模擬法的應(yīng)用,對(duì)葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移作用的影響進(jìn)行了研究和分析,得出了以下三個(gè)方面的結(jié)論:第一,熱斑遷移和渦輪通道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間存在著較為緊密的關(guān)系,尤其是和二次流之間的關(guān)系尤為緊密;第二,葉片安裝偏差不僅會(huì)使熱斑遷移規(guī)律出現(xiàn)較為顯著的變化,同時(shí)在此基礎(chǔ)上還會(huì)使渦輪葉片的表面溫度負(fù)荷分布產(chǎn)生相應(yīng)的變化,而這種變化對(duì)于葉片可靠性以及其使用壽命也會(huì)造成一定的影響;第三,在診斷發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí),必須要注意熱斑遷移的規(guī)律與氣動(dòng)性能,避免其測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

      [1]李宇,鄒正平,劉火星等. 葉片安裝角偏差對(duì)渦輪通道內(nèi)熱斑遷移的影響[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(6):944-948.

      [2]黃家驊. 無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)與傳熱的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,2009.

      [3]趙慶軍,王會(huì)社,趙曉路等.進(jìn)口熱斑徑向作用位置對(duì)無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪低壓級(jí)溫度場(chǎng)的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(2):214-216.

      [4]董平,顏培剛,趙洪雷等.帶有復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)渦輪葉片的氣熱耦合數(shù)值模擬[C].//中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)2009年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2009:1-7.

      [5]董平. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣冷渦輪葉片的氣熱耦合數(shù)值研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

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