复杂涡轮盘腔流热固耦合特性数值仿真研究.pdf
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1、Equipment Manufacturing Technology No.7袁20230引 言发动机是一种极其精密与复杂的动力设备,其作用为产生推力从而使飞机前进。随着航空技术的发展,发动机的技术也一直在进步1。通常由于飞机的要求,对性能和低摩擦的要求比较多,所以对设计和安装的要求很高。流固耦合传热广泛存在于机械、动力、能源、航空航天、化工和核工等工程领域2。发动机是一个由各种各样纷繁复杂的学科相互耦合形成一个复杂系统,而发动机中的多个物理现象也同样是由多个复杂的物理场相互作用形成的,所以采取流热固耦合的方法可以获得更加精准的数据模拟结果3,4。虽然在流热固耦合的模型应用于迭代计算的前期同样
2、需要大量实验数据的支持,但是随着数值仿真,迭代计算的不断发展,其环境条件限制小,研究周期短、计算成本低的优势,必将成为发展趋势5。作为一个功率传递部件,涡轮盘在发动机内部有着至关重要的作用,在各种各样种类繁多的载荷作用下,在发动机内部高速运作的涡轮盘的性能要求理所应当的更加严苛,因此必须开展复杂涡轮盘腔流动和固体动力学的数值模拟。1发动机涡轮盘腔概述为了降低高速旋转的涡轮盘温度,从后引气通道以及引气缝两个通道引流入冷却器进入涡轮盘,主要研究在冷却气作用下,涡轮盘腔内部的流动与传热。某涡轮发动机低压盘腔的结构模型如图 1 所示。2 发动机盘腔准三维模型流动与传热的数值模拟2.1 模型建立为便于建
3、立模型和计算,将实际上非均匀的冷却风入口缩减为一个环绕转轴线的圆形入口,这与实际复杂涡轮盘腔流热固耦合特性数值仿真研究孙源,王东昌,冯宜语(枣庄科技职业学院,山东 滕州 277500)摘要:探讨在飞行历程下的发动机涡轮盘腔流热固耦合特性,从而获得关键构件流路气动参数及轮盘强度特性的变化规律。首先通过 ICEM 进行涡轮盘腔的模型建立以及网格划分,然后利用 ANASYS 的 FLUENT 软件对涡旋腔进行了三维数值仿真,得到了涡轮盘内压力、温度和速度云图。从涡轮盘腔压力、温度和速度云图中可以看出,冷却气在涡轮机盘腔中起了重要的影响,篦齿的存在很大程度上阻止了倒灌现象的发生。其次基于 FLUENT
4、 计算结果,对涡轮盘进行静强度分析计算,对典型工况下的应力应变进行估计,最终对两种不同材料的涡轮盘计算结果进行分析。最终得出两种不同材料的涡轮盘腔的最大等效应力都出现在螺栓孔内侧。并且两种不同材料涡轮盘均未发生塑性形变,并且总形变的最大值十分接近,整个涡轮盘的形变主要出现在径向方向。关键词:发动机;涡轮盘;数值模拟;FLUENT中图分类号:V232文献标志码:A文章编号:1672-545X(2023)07-0058-04收稿日期:2023-03-22基金项目:“韩玉勇山东省职业教育名师工作室”项目.第一作者:孙源(1989-),男,山东滕州人,研究生,讲师,研究方向:机械设计制造.轴承腔向后引
5、气通道后封严篦齿图 1涡轮发动机盘腔结构引气缝排孔排气口挡燃气封严篦齿58装备制造技术 2023 年第 7 期中的涡轮机在快速转动时所产生的圆形、环状通表面非常类似。该方法在原有的设计中采用了管道形式,通过 FLUENT 算法将其简单地设定为流体输入,从而大大降低了运算速度,同时又能确保精度。简化后模型图如 2 所示。2.2 涡轮盘的温度场分析图 3(a)为涡轮盘腔温度分布情况,涡轮盘的温度因受高温气体的作用升高到 900 K 左右,但因为引入了低温的冷空气,所以在旋转轴附近的涡轮机圆盘的温度降低到 550 K 左右,由此可以看出冷却气对涡轮机具有降温作用。图 3(b)为涡轮盘篦齿处温度分布情
6、况,由于涡轮盘高速运动,流体向涡轮盘流动对篦齿产生冷却效果。2.3 涡轮盘的温度场分析图 4 为涡轮盘腔流体域速度分布情况,从图 4(a)可以看出,由于壁面存在不规则面,从而产生较多涡,为清楚分析各处速度分布,下面开始局部分析各处速度。图 4(b)为篦齿处的速度分布图,右图中矢量密度可以看出在篦齿间隙大量气流直接流过篦齿,有少量冷却气流入篦齿间隔,由于壁面的不规则以及较小的通路从而产生零乱不规则的涡。2.4 涡轮盘的温度场分析图 5 给出了整个涡轮盘腔的压力分布,由此可见,篦齿上下产生明显的压力差,体现了篦齿具有良好的密封效果,很大程度上阻止了高温燃气的倒灌,有效提高了冷却气的效率,保证了整个
7、涡轮的使用寿命。3涡轮盘强度分析3.1 涡轮盘有限元模型建立仅考虑离心力以及热负荷对于涡轮盘的影响,离心力和热载荷都是施加在涡轮盘整个体上的,离心载荷的施加为轴向转动的转速,地面最大状态(H=0 km,Ma=0)涡轮盘工作转速为 48500 r/min,温度场的施加则需要联动气动以及传热计算结果。建立一图 2内外迷宫套简图(a)外迷宫套简图(b)内迷宫套简图(b)篦齿处的速度分布图图 4涡轮盘腔速度分布图(a)涡轮盘腔温度分布云图(b)篦齿处温度分布图 3涡轮盘腔温度分布图contour-1Static Temperature9.00e+028.50e+028.00e+027.50e+027.
8、00e+026.50e+026.00e+025.50e+025.00e+024.50e+024.00e+02k(a)涡轮盘腔速度分布云图contour-1Velocity Magnitude4.71e+024.24e+023.77e+023.30e+022.83e+022.36e+021.89e+021.41e+029.43e+014.71e+010.00e+00m/s59Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023个保留叶片的涡轮盘三分之一扇形的几何模型如图6 所示。3.2 涡轮盘应力分析图 7 为两种材料计算涡轮盘计算 Mises 等效应力云图,
9、从图中可以看出,两种材料计算所得最大的Mises 应力同样都出现在涡轮盘螺栓孔内侧壁面,且由于 K418 与 K424 材料各项物理性能参数与力学性能参数相差不大,所以在同样的载荷施加情况下最大值相差不大,两种材料所计算出的最大应力分别为102 MPa 和 103 MPa。由图可以看出在涡轮盘实际运行过程中,最危险的位置为螺栓孔附近,存在由应力集中现象,螺栓孔处温度为 620 K(346 益)左右。3.3涡轮盘应变分析由于整个计算分析过程中包含塑性分析以及弹性分析,因此可以在涡轮盘的实际运行过程中判定是否发生塑性形变,而经过计算,K418 的抗拉强度在 800K 左右时达到较小值为 900 M
10、Pa,K424 的抗拉强度在300 K 时达到较小值为 755 MPa。所以 K418 以及K424 的涡轮盘均未发生塑性形变。同样可以计算得出两种材料的涡轮盘不同方向下的形变分布图,从整体形态下观察涡轮盘的总形变分布情况如图 8。从图中可以看出,两种材料的各个方向的最大变形值基本相等,两种材料涡轮盘最大形变均出现在叶片末端。(a)几何模型(b)网格划分图 6部分涡轮盘有限元模型图(a)K418 涡轮盘(a)涡轮盘腔压力分布云图(b)篦齿处压力分布云图图 5涡轮盘腔压力分布云图contour-1Statio Pressare3.03e+052.73e+052.43e+052.12e+051.8
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