涡轮叶片内部通道流动换热算法改进.pdf
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1、收稿日期:2023-05-19基金项目:航空动力基础研究项目资助作者简介:史经垠(1999),男,在读硕士研究生。引用格式:史经垠,张丽,张博伦,等.涡轮叶片内部通道流动换热算法改进J.航空发动机,2023,49(4):32-37.SHI Jingyin,ZHANG li,ZHANG Bolun,et al.Improvement of flow and heat transfer algorithm for turbine blade internal channelJ.Aeroengine,2023,49(4):32-37.第 49 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.49 No.4
2、Aug.2023航空发动机Aeroengine涡轮叶片内部通道流动换热算法改进史经垠,张丽,张博伦,朱惠人(西北工业大学 动力与能源学院,西安 710129)摘要:在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行
3、温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明:采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。关键词:涡轮叶片;蜿蜒通道;流动换热;算法改进中图分类号:V231.1文献标识码:Adoi:10.13477/ki.aeroengine.2023.04.005Improvement of Flow and Heat Transfer Algorithm for Turbine Blade Internal ChannelSHI Jing-yin,ZHANG li,ZHANG Bo-lun,ZHU Hui-r
4、en(School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi an 710072,China)Abstract:When using engineering calculation methods to calculate the temperature field of turbine blades,the internal flow channelof the blade is often simplified into smooth or ribbed heat exchanger tube elements
5、,making the influence between segments of the internalflow channel ignored,resulting in significant differences between the calculated 3D temperature field of the blade and the actual temperature field.In view of the above problems,to improve the accuracy of the 3D temperature field simulation of tu
6、rbine blades,the flow and heattransfer algorithm of the turbine blade internal flow channel was optimized and improved.Considering the influence of the two factors,thebending zones of the serpentine channel and the bending effect,on the internal flow and heat transfer of the turbine blade,experiment
7、al data were used to correct the heat transfer characteristics of the regions affected by the two factors.The corrected algorithm was used to calculate the 3D temperature field of a rotor blade,and a comparative analysis was conducted on the temperature field of the blade before and after correction
8、.The results show that compared with the original algorithm,by using the corrected algorithm,the temperature increase of thegas along the flow path of the serpentine channel is higher,the overall average temperature of the blade is lower,and the maximum temperature difference is higher.Key words:Tur
9、bine blade;serpentine channel;flow and heat transfer;algorithm improvement0引言为了更有效地利用现有的涡轮叶片冷却技术,最大限度的提高燃气温度,从而提高燃气轮机的效率,需要更准确地估算出叶片的实际工作温度分布。涡轮叶片的温度场计算主要有2种方法:一是采用流热固耦合的数值计算方法对高温部件进行热分析;二是将叶片的固体域和流体域分开求解的工程计算方法,其中流体域的换热计算采用实验关联式。Li等1采用气热耦合的方法对2维涡轮叶栅换热进行了计算,在计算过程中流体域和固体域分别采用显式有限体积法和边界元法,计算结果与试验值吻合良好
10、;Sondak等2采用热-流耦合的方法对无内部冷却的实心叶片进行计算,得到了涡轮叶片的温度场分布;Han等3给定内部冷却通道的热边界条件,对叶片外部流场和叶片表面的温度分布进行了计算;苏生等4史经垠等:涡轮叶片内部通道流动换热算法改进第 4 期对叶片内部具有不同间距的周期性交替大小肋片的方腔通道进行了气热耦合计算,并分析了不同结构的温度场;周驰等5采用自编程序对C3X以及MARK涡轮叶片的温度场进行了计算,并对影响因素进行了分析;黄海波6采用热-流耦合的方法对涡轮叶片流场和温度场进行了分析;李三军7采用热-流-固耦合的算法对燃气轮机中的高温部件的冷却作了计算研究;虞跨海等8采用气热耦合的方法对
11、典型3腔回流式冷却叶片进行了计算,根据得到的叶片压力与温度分布结果对叶片的气动性能进行了分析;Thakur等9进行了叶片尾缘处的换热计算,先给定了叶片的外表面温度分布,再计算内部冷气的流动和叶片温度场;Schallhorn等10-11通过压力调整算法对流体网络计算方法进行修正改进,使计算的稳定性提高;吴丁毅12提出了一种关于内流系统流动换热的网格计算法,将内流系统结构以及相应的腔室分解成由相应元件和节点组成的网络,在网络计算方法中应用节点残量修正法,有效提高了计算的精度和稳定性;顾维藻13对高温涡轮叶片的3种内冷通道的压力分布、冷热态流阻及局部换热系数分布等进行了试验研究,提出了最佳的冷却结构
12、方案;郭文等14在进行流体网络计算时,将动量方程和能量方程耦合,实现了非线性守恒方程组向线性方程组的转化,改善了计算过程的稳定性。蜿蜒通道是涡轮动叶典型的内部冷却结构之一,但上述学者并没有过多考虑内冷通道各流段之间的相互影响,目前采用的工程热分析方法在计算涡轮叶片内部换热流动时,一般将内流管段简化为光滑或带肋的换热管,忽略各内流管段之间的影响,造成计算得到的温度场与真实温度场存在较大差异。本文利用试验数据对蜿蜒通道的努塞尔数进行修正,对叶片内部流动的算法进行修正和改进,并对修正前后涡轮叶片温度场的变化进行了分析解释。1叶片内部流体网络计算模型涡轮叶片空气冷却系统中影响因素很多,严格的分析求解无
13、法实现,特别是目前的涡轮叶片多采用冲击-对流-气膜冷却,结构比较复杂,因此在工程中通常采用顺序求解法和网络求解法求解。在进行网络化求解之前,先要对叶片内冷系统进行网络化。1.1内冷系统的网络化将涡轮叶片复合冷却结构转化成为1个系统网络,该网络由腔、分支、元件和节点组成,然后制定一系列标识,用1组代码来标记这一网络。叶片内冷通道可以看成大量的几何结构和形状各异的元件按照一定的方式组合起来,虽然各种叶片的冷却结构大有不同,但都可看作是从属于一些基本类型的元件。例如孔、管、突扩、突缩、弯头、扰流柱、冲击等,对于不同类型的元件用不同的代码来表示,每个元件的进口和出口就是空气系统网络中的节点,叶片空气系
14、统中冷气进、出口也按照节点来处理,节点需要用代码来表示,以便描述元件之间的连接关系。如果 1 个节点同时与 2 个或 3 个以上元件相连接,则该节点称为腔,腔与腔之间由元件串联构成的流路称为分支,腔的代码可以反映出分支之间的连接关系。有了包括元件序号、元件种类代码、节点号、腔号、分支号这样1组代码后,就完成了对叶片内冷系统的网络化。本文计算的叶片外观及内部蜿蜒通道如图1所示。叶片榫头属于枞树性榫头,共有 3 对齿与涡轮盘接触。叶片冷却工质从榫头底部进入,只有 1 个进气口,然后经过内部蛇形 3 通道肋结构,一部分气体从尾缘气膜孔流出,另一部分通过叶顶的气膜孔汇入主流。原结构叶片采用内部冷却和外
15、部气膜冷却相结合的复合冷却方式。在叶片压力面尾缘处布置1排气膜孔,孔中心线与水平方向夹角为45。这排气膜孔同时具有尾缘冷却和出气的作用。内部冷却通道的压力面和吸力面内壁面均布置有30平行斜肋,在2个180急转弯处采用V形肋。沿叶顶中弧线在叶顶总共布置12个气膜孔,直径为1 mm,前8个气膜孔由内流第1通道和第2通道供气;后4个气膜孔由内流第3通道供气;气膜孔间距为5.1 mm。采用1维网络法对叶片内部流动及换热进行计算分析。本文计算的叶片内部冷却通道相对简单,划分思路如下:叶片通道入口段分为2段,叶身部分平均分为5段,通道2个180急转弯部分均按阻力损失图1叶片外观及内部蜿蜒通道33航空发动机
16、第 49 卷元件处理。对尾缘部分,将每段的出气孔合并成1个光滑换热圆管元件进行计算,并在出口处按照气膜孔出口进行处理,而叶尖顶部的前8个气膜孔合并为1个出口,后4个气膜孔合并为1个出口则作为流动出口。根据以上划分方法,叶片内部冷却通道1维网络如图2所示。采用未改进的已有计算方法得到的内部冷却通道各换热元件对应换热系数、冷气温度及流量分配如图3所示。图中还给出了每个内流结构单元的换热系数和冷气温度,上面数字为换热系数,下面数字为冷气温度。通过对比网络图可见,冷气温度沿着流向逐渐升高,经过第1个转弯处后,在第2通道升高比较缓慢,并且后半段的元件温度还略有降低,经过第2个转弯处后,进入第3通道,冷气
17、温度升高较快。从图3中还可以得到内部冷气总流量和各出口流量的分配结果,计算结果代表流出的冷气流量占进口 流 量 的 百 分 比。原 结 构 叶 片 冷 气 总 流 量 的0.02975164 kg/s,比理论设计流量 0.03 kg/s 偏小约0.82%,几乎可以忽略偏差。右侧5个气膜孔出口流量几乎差不多,占比约为18%,共占总流量的90%,由此可知绝大部分冷气是通过尾缘气膜孔流出的。而从叶顶气膜孔流出的冷气则占总流量的10%。1.23维温度场外边界条件利用涡轮叶片外换热计算程序得到所截取平面上叶片表面换热系数h及换热温度Tf与弧长坐标(点沿叶片叶型表面到前缘滞止点的距离)之间的对应关系。然后
18、通过程序采用3维曲面插值方法得到表面节点的换热系数,同时得到表面节点坐标对应的换热温度Tf。外换热系数分布如图4所示,燃气换热温度分布如图5所示。其中压力面范围-1s/d0,s/d=0为前缘冲击驻点。可见在压力面靠近尾缘处存在换热系数增大的现象,这是由于该处有1排气膜孔,其出流对直流的扰动导致局部的换热系数增大。同样由于压力面靠近尾缘处的1排气膜孔的出流影响,导致该处的换热温度减小,而其他位置由于没有气膜孔,不存在冷气出流,其换热温度与主流温度相差不大。2考虑弯转区域和弯转效应对换热影响的算法修正在叶片结构不变的情况下,考虑弯转效应对内流换热的影响,在先前学者的试验基础上,通过试验数据对弯转区
19、和弯转效应处的努塞尔数进行修正16-17。复合通道弯转效应对换热的影响如图6所示。由于图2叶片内部冷却通道1维网络图3已有计算方法得到的内部冷却通道各换热元件对应换热系数、冷气温度及流量分配1615.58730.191851.52718.931183.79734.331367.38732.93905.71731.98965.84734.491767.31701.531439.13685.271078.09669.71985.55656.10406.92644.40481.39635.952044.868552246.68811.142252.21778.072332.12751.572194.
20、09735.025.8%4.2%2044.868552044.868552044.868552044.868552044.8685518%18%18%18%18%图4外换热系数分布图5燃气换热温度分布换热系数45004000350030002500200015001000500s/d-1.0-0.500.51.0r11r12r13s/d-1.0-0.500.51.0温度13501300125012001150110010501000r11r12r1334史经垠等:涡轮叶片内部通道流动换热算法改进第 4 期在原始结构的内流换热工程算法中均使用直通道的换热并未考虑到弯管效应的影响,因此通过对第13
21、通道进行弯转效应的努塞尔数修正并对算法进行改进。为了便于理解第13通道的位置,在图中给出了相应区域的弯转修正系数。针对研究的叶片结构,考虑到弯转区对内流换热的影响,对叶片温度进行计算。其中第 13 通道的弯转修正系数通过试验得到16,将试验数据进行插值处理,得到相应的努塞尔数的修正系数。弯转区域流动换热规律如图7所示。由于在原始结构的内流换热计算中均使用直通道的换热并未考虑到弯转区的影响,因此对弯转区1、2的努塞尔数进行修正,并应用到算法中。为了便于理解弯转区1、2的位置,在图中给出了相应区域的修正系数。其中弯转区1、2的努塞尔数修正系数通过试验得到16。2.1带弯转效应和弯转区算法修正的换热
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