带螺栓的转静盘腔流动数值研究.pdf

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1、圈2014年第1期IANGSUAVIATION9带螺栓的转静盘腔流动数值研究◎马力王锁芳侯宏建／南京航空航天大学能源与动力学院涡轮是航空发动机的重要高温部件之一。提高航空发动机性能的主要途径就是提高涡轮前温度。现在先进的航空发动机的涡轮前温度超过了大部分现有材料所能够承受的最高温度。因此为了保证发动机的正常使用，研究各种冷却结构和各种冷却方式对涡轮部件的冷却效果有利于提高航空发动机的工作效率。为了有效地冷却高压涡轮盘和转子叶片，往往采用预旋进气提供冷却空气。从预旋喷嘴喷射出来的冷却空气，几乎相对静止地进入叶片冷却

2、孔，相应地降低了相对于叶片的空气温度。在国内，各种预旋进气方式对涡轮盘腔的冷却效果已经有了全面深入的研究。国外的研究者在该领域也进行了全面深入的研究，但是对于带有螺栓的转静盘腔对盘腔内流动的影响规律还没有人进行专门的研究，这个问题对于改进涡轮盘腔的工作状况具有重要意义。本文分析了转静盘带有若干螺栓的情况下，预选喷嘴图1转静盘腔示意图个数、接受孔总面积等参数对该预旋系统温降的影响。1控制方程三维柱坐标系下的稳态流动和传热方程为(P“)+l-~o(rp口)+÷()一(I1)+了1a(Pr)+(r)+s式中：I1，S分

3、别为变量(，，一，T，k，e)所对应的广义扩散系数和源项。2计算模型和计算方法2．1物理模型图2计算模型图图1所示为带螺栓的预旋进气转静盘腔结构示意图。其中，盘腔右侧是静盘，左侧是转盘；A是预旋喷嘴的位(2)出口为压力出口，压力给定。置，B是接受孔的位置，C是静盘螺栓的位置，D是转盘螺(3)转盘和转动域都给定转速，周期面给定周期边界栓的位置；静盘右侧的进气腔也是静止的。条件。2．2计算模型(4)静盘为绝热壁面，所有固体壁面均采用无滑移条根据涡轮盘腔结构上的周期性特点，其流动结构也件。必定是周期性变化的，因此为减少

4、工作量，选取1／24的(5)转盘螺栓个数与静盘螺栓个数相同，都是48个。涡轮盘腔建立三维计算模型。计算域只包括流体域。采2．4数值计算方法用非结构化网格。如图2所示，根据转静盘腔建立的计算本文采用商业软件Fluent6．3进行流动传热方程求模型。计算模型根据预旋进气转一静盘腔的具体结构进行解，方程离散采用二阶迎风格式。考虑空气的可压缩性和简化，不考虑螺栓的形状，将静盘螺栓简化为,Do的圆柱物性随温度变化，采用标准e模型。体，将转盘螺栓简化为12的圆柱体。3参数定义2．3边界条件(1)入口条件给定压力和温度，给定压

5、力进口。无量纲总温降△T，其定义为10江苏航空总第135期一墼(2)式中：T和T分别为进口处的空气总温和出口处空气相对于转盘的相对总温；C，为空气的定压比热；03为转盘角速度；rb为接受孑L圆心到旋转中心的距离。无量纲质量流量C，其定义为一(3)O式中：为各出口处的空气质量流量；为流体的动力粘性系数；b为转盘最大半径。无量纲总压系数，其定义为{：一(4)O。。rg预旋孔个数式中：P为盘腔人口处的总压；P。为盘腔出口处的总压；(a)△r’随预旋孔个数变化曲线P为气流密度。转盘的旋转雷诺数Re，其定义为Re一(5)式

6、中：P为气流密度；为转盘角速度；为流体的动力粘性系数；b为转盘最大半径。面积比A，其定义为A一(6)^2式中：A为预旋孔的总面积；A为接受孑L的总面积。4计算结果与分析预旋孔个数4．1预旋喷嘴个数的影响(b)随预旋孔个数变化曲线图3为预旋角一22。，面积比A一0．368和0．092，旋转雷诺数Re．一9．76×10，接受孔个数和预旋孔总面积不变，改变预旋孔个数和接受孔半径时，预旋孔个数对无量纲温图3△T和随预旋孔个数变化规律图降△T和总压系数善的影响。从图中可以看出，随着预旋孔个数的增多，进出口无量纲温降△T先减

7、小后趋于平缓，效果较好。存在一最大值，但是对应该流量存在一预旋孔个数，使得此在预旋喷嘴总面积一定的情况下随着预旋喷嘴数的时预旋温降最大，预旋效应最较好；总压系数则先逐渐增增加，每个预旋喷嘴的半径变小，使得每个喷嘴的流量变大，并且逐渐趋于平缓，这是由于随着预旋孔个数的增多，少，温降效果变差。一方面转盘表面的流体受到的剪应力增大，摩擦阻力增加，4．2接受孔总面积变化的影响另一方面转盘通过粘性流体驱动腔内流动的作用增强，旋图5为预旋角一22。，预旋孔个数是24，接受孔半径不涡内耗散的能量增加，致使盘腔进出口的总压差会有

8、一定变时，不同旋转雷诺数R下接受孔个数从24变化到144，的增大。之后，随着预旋孔个数增多，旋涡内耗散的能量有接受孔总面积的变化对预旋温降△T和总压系数的影所减小，接受孔处的总压差逐渐减小并趋于平缓，由图3可响。从图中可以看出，随着进出口面积比的增大，进出口总以看出，在预旋孔个数为24附近存在一个该预旋系统的最温差△T先减小后增加并趋于平缓，存在一最大值，说明对优工作状态