涡轮气冷叶片高温环境下的结构强度分析软件开发

涡轮是燃气涡轮发动机中的重要部件,燃气轮机性能的提高需要涡轮进口温度也不断提高。涡轮进口温度的增加要考虑叶片材料的耐温程度,同时必须限制叶片内部温度水平和温度应力,即涡轮叶片需气冷降温,因此涡轮叶片温度场和应力场计算具有重要意义。三维涡轮叶片的换热流动数值计算非常复杂,设计单位在初步设计阶段往往需要从二维叶片开始设计,进而完成三维叶片的数值计算工作。针对上述需求开发了一套完整的二维涡轮气冷叶片的热应力有限元计算程序,满足了叶片初步设计时对换热和热应力计算的需求,并将计算结果与国外商业软件ANSYS进行了对比,证明本研究开发的软件是有效的。     

应用单向法的气冷涡轮气热弹耦合数值研究

对采用径向对流冷却的NASA C3X叶片进行了单向气热弹耦合数值模拟。气热耦合计算比较了在考虑转捩现象的对于计算结果的影响,同时考虑了温度变化引起的气体属性变化对气热耦合计算的影响,并与NASA报告中的实验结果进行了对比。结果表明,雷诺应力模型对于转捩过程的捕捉能力有限。应用气热耦合的计算结果作为有限元的输入条件,使用ANSYS研究了外部流体冲击场叠加叶片温度场后的总应力和总变形,使用单向法实现了气动、热应力场的多场耦合研究,对于涡轮设计以及寿命预测有一定的借鉴意义。     

考虑组分扩散的气冷涡轮气热耦合计算

研究了冷气掺混过程中燃气组分变化对气冷涡轮气热耦合计算的影响。求解器为HIT-3D气热耦合求解器,该求解器包含一个流动求解模块与固体温度场求解模块,并通过直接耦合方法来实现流固区域的数据传递。为了研究冷气组分变化的影响,该求解器还求解了冷气组分扩散方程,并将工质热物性质,包括定压比热与气体常数,表示为组分与温度的函数。研究算例为某低压气冷涡轮导叶,同时进行了考虑组分扩散与单工质气体的气热耦合计算。对两种不同计算条件下的工质热力参数以及涡轮表面热负荷进行了比较,结果表明考虑工质组分变化后,在冷气掺混区域,工质气体常数变化很小,但定压比热与叶片表面温度有较大的差异;其中前者降低,后者升高,其最大差值分别为0.1和0.02。     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。     

涡轮叶片热疲劳分析

针对涡轮叶片工作产生的热疲劳破坏问题,利用Solidworks三维建模软件建立叶片CAD模型,运用ANSYS有限元软件workbench模块对其进行300℃~600℃温度梯度工况下的热疲劳分析,分析得到涡轮叶片温度场和热应力分布云图,确定了涡轮叶片危险部位及应力分布情况,进而对涡轮叶片进行疲劳寿命预测,研究结果对提高涡轮叶片可靠性提供借鉴与参考。     

考虑转捩的气冷涡轮气热耦合仿真

以NASA-MARKⅡ跨音速涡轮叶片以及某低压涡轮导叶为例进行了考虑转捩的气热耦合计算. 首先开发了有限差分气热耦合求解器,采用直接耦合方法进行流固区域的数据传递,并采用AGS代数转捩模型来预测叶片表面的转捩流动现象. 然后以NASA-MARKⅡ叶片的5411号试验工况为例对该转捩模型进行了验证,对比表明AGS模型能够预测叶片表面的转捩流动过程,所预测的叶片表面温度分布与对流换热系数分布和实验值吻合较好. 最后采用该耦合求解器对某双腔内冷以及尾缘劈缝的低压涡轮进行气热耦合计算,对叶片的热负荷进行了分析.      

轴流式叶栅内部流动变工况性能的计算分析

应用有限元方法求解不可压黏性流动Ｎ－Ｓ耦合方程,对ＮＡＣＡ叶型的叶栅在不同冲角的条件下,叶栅内部的流动作了较为完整的计算分析。结果包括叶片表面的压力分布、叶片表面法向的速度分布以及表面摩擦系数。在计算中,采用了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ湍流模型和壁面函数以提高计算的速度。结果表明：冲角不仅对叶片表面的压力分布,而且对叶片附近的流动状态,特别是在叶栅流道的后半部,有很大的影响。     

燃气轮机涡轮级气弹耦合仿真研究(英文)

采用有限差分方法开发了气冷涡轮气弹耦合求解器。该求解器分别在流动区域求解时间平均N-S方程。在固体区域求解振动方程,在流固边界则施加了气弹耦合边界条件。在流动问题求解中,采用了B-L代数湍流模型封闭时均N-S方程,采用三阶AUSMPW+差分格式离散对流项,并采用隐式LU-SGS格式求解离散后的代数方程;振动问题则采用显式格式求解;采用代数网格法进行固体区域动态网格生成。采用该耦合求解器对某涡轮级动叶的振动响应问题进行了数值仿真,研究表明:所开发的耦合求解器能够用于振动响应问题的分析,同时本算例中涡轮动叶的振动不存在发散现象,并且叶片振动对流动的影响很小。     

采用热固双向耦合模型的转子热应力计算方法研究

为准确计算汽轮机转子在启、停机过程中的热应力,建立了转子瞬态温度场、应力场分析的热固双向耦合轴对称计算模型。该模型在考虑转子温度场对应力场影响的同时,也考虑了应力场对温度场的影响。采用热固双向耦合有限元模型计算了某超超临界660MW超高压转子的瞬态温度场和热应力场,并研究了热固双向耦合和单向模型计算结果的差异。计算结果表明:在转子启动过程中,温度与变形之间的耦合作用会随主蒸汽和转子表面温差增大而增强,当转子表面初温与主蒸汽温差为280℃时,两种模型计算出的转子最大热应力相差6.6%。因此,在转子表面热冲击较大的情况下,应选择热固双向耦合模型进行转子热应力计算。     

燃气轮机涡轮叶片气场耦合仿真研究

采用有限差分方法开发了气冷涡轮气弹耦合求解器。该求解器分别在流动区域求解时间平均N-S方程,在固体区域求解振动方程,在流固边界则施加了气弹耦合边界条件。在流动问题求解中,采用了B-L代数湍流模型封闭时均N-S方程,采用三阶AUSMPW 差分格式离散对流项,并采用隐式LU-SGS格式求解离散后的代数方程;振动问题则采用显式格式求解;采用代数网格法进行固体区域动态网格生成。采用该耦合求解器对某涡轮级动叶的振动响应问题进行了数值仿真,研究表明：所开发的耦合求解器能够用于振动响应问题的分析,同时本算例中涡轮动叶的振动不存在发散现象,并且叶片振动对流动的影响很小