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《气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究第9卷第18期2009年9月1671—1819(2009)18—5356—04科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVo1.9No.18Sep.2009@2009Sci.Tech.Engng.动力技术气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究王振峰颜培刚陈凯黄洪雁韩万金(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001)摘要采用CFX商用软件的不同湍流模型对NASA—MarklI高压燃气气冷涡轮叶栅进行气热耦合计算,着重分析了叶栅内部流动情况及传热特性.与实验结果比较,k—c￡,一S
2、ST—GammaTheta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.应用ANSYS11.0商用软件对气冷涡轮叶片气热耦合温度场结果进行热应力计算.结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显着影响.关键词气热耦合气冷涡轮湍流模型热应力中图法分类号TK231.1;文献标志码A当前,在涡轮发动机设计过程中,除了要考虑气动效率外,另一个重要的因素就是涡轮发动机部件的温度分布情况.准确的温度分布可以确定高温部件的热应力,指导设计人员对高温部件进行有效地冷却,提高涡轮发动机性能.在透平机械领域内气一热耦合计算成为了一个主要的研究方向.一些研究人员已经开始应用耦
3、合热分析方法研究气一热耦合问题_3j.涡轮叶栅的气热耦合计算能够得出更为准确的高温部件温度分布,这样可以准确预测涡轮部件的热应力分布,对涡轮叶栅的寿命预估和冷却结构设计提供重要依据.本文采用CFX的三种湍流模型对某高压燃气气冷涡轮叶栅进行了气热耦合方法的数值模拟工作,不同湍流模型对涡轮叶片温度场的模拟各不相同,考虑转捩的k一湍流模型能够得出与实验结果较为接近的叶片温度分布.利用有限元分析软件对涡轮叶片进行热应力求解,计算结果说明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显着影响.2009年6月1lEt收到国家自然科学基金资助项目(50706009),(
4、50576017)资助第一作者简介:王振峰(198O～),男,博士研究生.1计算模型及模拟工况1.1几何模型及网格划分图1给出了NASA—MarklI高压燃气气冷涡轮叶栅几何模型.MarklI涡轮叶片内部具有10个径向冷却通道,冷却介质为空气.此高压涡轮叶栅的传热实验由Hyhonl6等人完成.图2给出了NASA—MarklI叶栅的计算网格.由图所示,计算网格由主流区域,固体叶片区域和冷却通道区域三部分组成.在流体与固体交界面处的附面层区域对网格进行了加密,并保证,,<1.应用ICEM网格划分软件生成了流体区域的结构化网格及固体区域的非结构化网格,总网格
5、数量约为130万.叶片图1NASA—MarklI涡轮叶栅几何模型l8期王振峰,等:气冷涡轮叶栅流动及热应力特性的数值研究图2NASA—MarkII涡轮叶栅计算网格1.2实验条件及模拟工况数值模拟的工质与实验条件相符,采用可压理想燃气.叶片材料根据文献为ASTM标准的310不锈钢,其物理属性为:密度P=8030kg/m,比热容c=502J/(?K),热传导系数为温度的函数,见方程(1).热膨胀系数O/=1.71×10～mm/~C,弹性模量E:200GPa,泊松比取0.3.K:0.0115+9.9105(1)表1NASA-MarkII涡轮叶栅5411工况实验条件
6、表1给出NASA—MarkII涡轮叶栅主流燃气的实验工况边界条件,数值模拟边界条件与实验工况条件相同.叶片内部的径向冷却通道边界条件包括冷却通道的直径,冷却气体流量,冷却气体中径处温度及各个冷却通道流体雷诺数,详见文献[6].文献[7]应用CFD多种湍流模型对MarkII型燃气涡轮叶栅进行流固耦合传热计算,其对本文的启发较大.本文采用不同湍流模型(一标准格式,k一一SST和k一∞一SST-GammaTheta)对NASA—MarkII涡轮叶栅进行流固耦合计算,并将计算得出的叶片温度场结果进行有限元热应力分析.2计算结果分析2.1叶栅流动及传热特性图3给出了不
7、同湍流模型和实验的叶展中部叶片表面静压分布,由图可知,CFX计算结果与实验结果吻合较好.因此可以得出,湍流模型对叶栅内压力分布的计算结果影响很小并且计算结果较为准确.xL图3叶展中部叶片表面静压分布∞湍流模k-co.SST湍流模型k-t~-SST—GammaTheta湍流模型图4不同湍流模型叶展中部sl流面马赫数分布科学技术与工程9卷图4给出了三种不同湍流模型计算得出的S1流面马赫数分布图,由图可知,三种湍流模型计算得出的S1流面马赫数分布基本一致.在叶片压力面侧,从前缘至尾缘出口压力值逐渐降低,压力的变化趋势与马赫数的分布情况比较吻合,随着压力逐渐降低,流
8、体马赫数逐渐增大.在叶片吸力面侧,从前缘滞止点至43
