纵横交织,融汇贯通

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1、涡轮机械纵横交织，融汇贯通涡轮需要在超高温度下运行才可降低燃料消耗，但它们也需要内部冷却才能保持结构的完整性和理想的使用寿命。工程师通过仿真可对最先进的涡轮叶片冷却通道几何结构进行评估，进而开发超越现有设计的创新几何结构。作者：AdamWeaver，美国惠帕尼MechanicalSolutions公司项目工程师气涡轮在高温下会实现更高的工作效率。最新一是最理想的呢？作者同其在普渡大学的同事采用ANSYSCFX燃代涡轮的燃气温度能高达2,700华氏度，但叶片对一些全新几何结构的性能进行了研究，并设计出一种能显著材料一般仅能承受大约1,700华氏度的温度

2、，所提升性能的创新型形状。以必须采取冷却措施。但是，由于涡轮叶片翼面的后缘非常生产用于冷却通道的陶瓷核心薄，因而在不破坏叶片结构完整性的情况下，几乎无法进行在燃气轮机组件的制造领域，熔模铸造一直是生产具有复冷却。另一个挑战是，必须最大限度地降低冷却后缘所需的杂翼面形状和内部冷却通道几何结构的首选技术。此类铸造工气流量以及冷却回路中的压力损耗，因为产生该气流所需的艺先通过脱蜡流程打造一个陶瓷外壳，其内部与翼面的形状相功率会降低发动机的效率。符。将一个或多个陶瓷芯布置在壳体内部，形成内部冷却通具有内部冷却通道的后缘通常采用熔模铸造法制造，这种道。将熔融灌

3、入壳体，待其冷却并硬化。然后再用机械或化学方法依靠陶瓷芯形成内部通道。设计人员因此受到局限，只能方法除去外壳和内核，得到成品组件。直到最近，冷却通道的采用极为简单的几何结构来研发冷却通道。但是，最新的制造设计都还在受到制造商生产几何结构精度约为1或2mm的陶技术现已能成功打造更复杂的冷却通道形状。那么哪种形状才由于涡轮叶片翼面后缘非常薄，在不破坏叶片的结构完整性的情况下，几乎无法进行冷却。©2016ANSYS,INC.ANSYSADVANTAGE2016年

4、第1期

5、第X卷25涡轮机械瓷芯的限制，这就迫使涡轮叶片冷却通道只能采用十分简单的形状。这些简单

6、的通道几何结构对来自周边金属的热能传导效率并不高。例如，如果冷却通道采用正方形截面且是直通走向，那么在靠近固体表面的位置会形成一个热边界层，但处于通道中心的气流在叶片中布置新通道只能吸收很少的热量。这使得用于冷却气流方向翼面的能量很大部分被浪费了。近两年推行的新制造方法使冷却通道几何结构的选择更为丰富。有种新的制三连冲设计造方法可将冷却通道的计算机模型切分为厚度约25微米的薄片，用于创建光掩膜。随后再采用光掩膜对层叠金属箔片进行蚀刻，制作出精度极高的3D空腔。该母模使用硅胶等材料制作出模具，后多重网格设计者能铸造精度超高的陶瓷材料。对新的冷却通道几何

7、结构进行仿真这些新的制造方法启发了普渡大学的团队去探索多种具有更复杂几何结构的冷却通道，从而分解边界层并提升热传之字形设计递效果。·连冲设计通过面积收缩形成高速射通过新制造方法实现的三种新型冷却通道几何结构流，并将射流垂直指向固体表面；[W/m2k]·多重网格设计使用与气流方向呈45度角的方柱，借助射流间相互作用进行偏转和混合气流；Vin=5[m/s]·之字形设计将气流束缚在通道中，并弯折通道产生二次气流结构，从而将冷却流体推向壁面。Vin=10[m/s]普渡大学团队使用CFD对上述设计以及作者自己所设计作品的性能进行了评估。作者的设计有两层在交汇点

8、上起Vin=20[m/s]流固耦合可为燃气轮机叶片实现良好降温——文章ansys.com/weaving101不同流速下用于织纹设计的热传递系数等值线图26ANSYSADVANTAGE2016年

9、第1期

10、第X卷©2016ANSYS,INC.56mm56mm气流方向135795mm11246810121234564.13mm789101112顶视图织纹设计在上游端有一个分流器，在翼面后缘有对齐的导管。投射在织纹冷却通道截面上的流线和等温线显示了该设计分解边界层的方式。伏的45度角通道，不仅避免了接触，而且还可持续扰动气流0.01mm也是如此。在本应用中

11、尝试的其他代码往往不能在这方向。针对所有的设计，该团队使用剪切应力传输（SST）湍种节点间距下收敛。研究人员采用由冲击平板的平面射流构成流模型开展了共轭热传递分析。后缘周围的热气体温度保持在的测试例题验证了CFD的结果，取得了非常理想的相关性。21,755K，外部热传递系数设定在2,000W/mK。进气道的冷却确定最优几何结构气流温度为673K，管道出口的压力保持在25巴。可通过改研究人员对三个现有设计进行了仿真，以便在性能曲线变入口冷却质量流或压力来研究各种情况下的性能。通道高度图上选择等效点，这样他们就能够对任意两个设计直接进行为2mm。比较。结

12、果显示，针对给定的质量流速率，从传输的热量来借助ANSYS的网格剖分和流体功能，该团队得以开发看，多重网格设