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透平冷卻分析背景
提高透平進口溫度是開發高效燃氣輪機的重要手段,由此導致高溫葉片在遠超金屬允許溫度的環境中運行,目前先進航空發動機透平進口燃氣溫度已超過1700K,為了保證葉片的安全性,需要佈置大量冷卻結構以使葉片溫度處於合理範圍。透平葉片有多種冷卻方式,包括內部強化對流冷卻、衝擊冷卻以及外部氣膜冷卻等,並且各種方式可能相互耦合,導致冷卻通道中的流動及傳熱特性非常複雜。
Flow Simulator最初來自GE航空發動機部門,是分析透平傳熱和二次空氣系統的專業工具,其精度和可靠性得在工程實踐中到了充分的驗證。
透平葉片實物圖
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透平輪盤冷卻
渦輪盤作為主要的承力部件,靜子輪盤與轉子葉盤之間存在腔室(Cavity)。為避免高溫高壓燃氣通過輪緣之間的間隙入侵到腔室內部,必須採用冷空氣對渦輪盤間隙冷卻和密封。過多的冷氣會降低發動機性能,過少的冷卻則會造成過熱。
研究表明:入侵的燃氣濃度增加1%會降低動盤50%壽命。而封嚴冷氣減少50%,發動機效率提高0.5%,油耗降低0.5%。採用一維仿真計算可以獲得最佳的冷卻效果。
航空發動機結構示意圖
高壓透平第一級輪盤冷卻計算
原理圖
邊界條件
- 3個冷氣入口,一個出口,輸入總溫、總壓邊界
邊界條件
- 如果入口是旋轉的,還需要輸入Swirl數(氣流切向速度和輪盤線速度的比值)
旋轉腔體的建模
Cavity示意圖
導入CAD模型,抓取幾何上的特徵點,將盤腔沿徑向切割為8個區域(Cavity)。利用角動量守恆原理計算氣流在每個Cavity中的速度、溫度、壓力和Swirl的變化。
注意: Cavity只能通過Vortex Chamber或Inertial Chamber創建。而Vortex Chamber是沒有上下游的單元(element)相連的,只用於存儲當地Cavity的流動信息。
理論上徑向切割的Cavity份數越多,梯度計算精度越高。如果氣流通道是軸向的,也可以切割Cavity以考慮輪盤旋轉對氣流的摩擦作用。
創建Cavity
Vortex單元
Vortex單元用於計算旋轉流動,有三種類型:
- Free Vortex自由渦,沒有外力作用在流體
- Forced Vortex強制渦,流體和輪盤的旋轉速度一樣
- Cavity vortex,也屬於強制渦,只不過壓力、溫度的計算來自各個Cavity
Vortex的類型定義
定義了4個Vortex單元,將氣流入口和出口建立連接
輪盤和外界的傳熱
- 通過連接對流、導熱單元和內部Inertial Chamber模擬輪盤內部和外部的熱交換。
- 對流換熱係數HTC採用子程序的方法,在迭代過程中確定,提高了換熱計算的精度。
- 子程序可以採用Python或Fortran語言, 支持定義輸入參數,如雷諾數,半徑、粗糙度等等。
- 軟體內嵌多個子程序模板,比如旋轉腔HTC的計算採用subtype=ROTATING_CAVITY_NU,用戶只需寫表達式即可,無須編譯。
Python腳本定義旋轉腔壁面對流換熱係數
篦齒封嚴的建模
- 篦齒封嚴利用流道的突擴和突縮,消耗流體的動能增加流阻以限製或阻止流體洩漏。在航空發動機等旋轉機械中得到了廣泛的應用。
- 篦齒封嚴單元除了設置尺寸信息,如齒數、間距、高度等,也需要入口和出口的半徑以及轉速。
- Seal type設定密封座的樣式。
- Swirl carry over考慮了氣流在封嚴內的旋轉。
- 封嚴的上下游必須連接inertial chamber, 保證氣流旋轉參數的傳遞。
輪緣封嚴的建模
- 輪緣封嚴是防止主流高溫燃氣進入輪盤腔室,內部的氣壓略高於外部,從而達到氣密作用。
- 輪緣的轉速較高,需要考慮Pumping的效應,參照盤腔建模的方法,沿徑向切割Cavity,用Vortex單元和孔單元搭建封嚴流道。
輪緣封嚴(Rim Seal)示意圖
輪緣封嚴的一維建模
輪盤上冷卻孔的建模
- FI CdComp孔單元,專門用於旋轉輪盤,用戶無須輸入阻力係數(通常這類孔的阻力係數也難以確定),僅需要輸入孔的尺寸和倒角(圓)。
- Part Surface Angle定義了打孔的方向(斜孔、直孔) Element Orientation定義了空氣進入小孔前的流向Element Multiplicity定義孔的數量(週期性) Rotational Effects定義轉速和小孔的旋轉半徑。
- Corner Type定義孔的邊緣過渡形式。
- Swirl Carry Over定義了上游氣流旋轉傳遞到下游的百分比,通常L/D>1的長孔Swirl Carry Over接近0,表示下游氣流旋轉基本由輪盤轉速確定。
Corner Type會影響流量係數Cd的計算
FI CdComp孔單元角度的定義
- 孔板的阻力特性,經過大量的實驗驗證,確保冷卻流量解析的精度。
靜止孔的阻力特性實驗
旋轉孔板的阻力特性實驗
不同角度的孔板實驗曲線
不同雷諾數的孔板實驗曲線
不同長徑比(L/D)的孔板實驗
- 計算完成顯示每個單元上的氣流,速度、壓力、流量、Swirl。
- 物理量也可以用雲圖方式顯示
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透平葉片冷卻
通常透平第一級靜葉採用氣膜冷卻、對流冷卻和衝擊冷卻。冷空氣沿著上下端壁進入到衝擊筒套中,再通過表面的小孔排出,形成冷卻氣膜,覆蓋在葉片表面。冷空氣到達葉片尾緣經過擾亂柱再進行對流冷卻。
透平葉片實物圖
透平葉片冷卻原理圖
透平動葉氣膜冷卻建模
- 冷卻空氣從空心葉片底部流入,衝擊葉片前緣,從氣膜孔和頂部小孔流出。
- 導入葉片的切面圖,最好是等比例的,方便定位。
- 建立平面網絡:沿著葉片高度設置5個斷面,每個斷面出口設置溫度、壓力出口邊界。
- 設置內部通道的尺寸和旋轉半徑,壁面粗糙度等信息。
- 可以先建立一層的單元,再批量複製,提高建模效率。
- 設置氣膜孔尺寸和旋轉半徑,以及流量係數
- 計算完成後,顯示各個孔的空氣流量和各個chamber的壓力、溫度。
- 有回流的單元用黃色圓圈自動標註。
- 可以採用PID Controller控制器或優化工具對每個小孔的流量進行調節。
如果導入的是3D模型,也可以在每層的平面展開,考慮氣流在各個旋轉半徑上的流動。徑向逐層連接,形成立體的網絡。可以更加精確的分析葉片各個部位的冷卻效果。
- 雲圖顯示物理量
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