涡轮叶栅损失生成和输运的数值模拟
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涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失摘要:本文基于数值模拟方法,深入研究了涡轮平面叶栅端壁附近的流动和热损失的行为。
研究结果显示,随着流态参数的变化,涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失也会发生变化。
本文进一步讨论了这种变化如何影响涡轮的效率。
关键词:涡轮平面叶栅,端壁,流量,热损失,流态参数正文:首先,本文介绍了数值模拟方法在研究涡轮流动中的应用,并讨论了研究参数的选择。
然后,本文运用数值模拟方法来深入研究叶片端壁附近的流动。
通过改变流态参数,研究了不同参数下涡轮叶片端壁附近的流动和热损失的行为。
结果表明,随着流态参数的变化,涡轮叶片端壁附近的流动和损失也会发生变化。
本文进一步讨论了这种变化如何影响涡轮的效率。
最后,结合实际情况提出了加强涡轮效率的方法,为提高涡轮能量利用率提供了理论参考。
数值模拟是一种研究流体问题的有效方法,它可以用来模拟运动物体的流量、热力学损失和流场演变等过程。
在本文中,我们运用数值模拟的方法来探讨涡轮叶片端壁附近的流动和热损失的行为。
首先,我们建立了相应的数值模型,包括涡轮平面叶栅端壁的几何形状,流体性质参数和网格分布等,然后用模拟程序将相关参数输入模型,并在改变参数值的情况下,进行精确的模拟。
我们预测了涡轮叶片端壁随着流态参数变化时的流动和损失情况,包括流量、热量、温度和压力等。
我们通过给出系统数据,以及与实际测量结果的比较,证明了利用数值模拟方法定量研究涡轮叶片端壁的流动和热损失的可靠性,从而为涡轮的优化提供了参考。
在本文中,我们还讨论了流态参数对涡轮叶片端壁附近流动、温度和热损失的影响。
研究表明,当流态参数变化时,叶片端壁流动和损失会有所变化。
我们发现,流态参数对涡轮效率的影响是非常重要的,随着流态参数的变化,涡轮的效率也会有所不同。
我们发现,当流态参数处于一定范围内时,涡轮的效率也最高,与其他流态参数相比,在这个范围内涡轮的效率最佳。
此外,本文还针对实际情况提出了优化涡轮效率的方法,例如调整涡轮叶片端壁附近的流动状态,通过改变叶片尺寸、改变叶片材料或使用更显著的增油技术等进行优化,以提高涡轮的能量利用率。
涡轮增压器叶片流场的数值模拟研究涡轮增压器是一种常见的发动机增压器,通过利用废气能量,提高发动机的进气压力,增加气缸内的气体充量,从而提高发动机的功率和效率。
而涡轮增压器的核心部件之一就是叶片,它通过高速转动,将气体压缩,使其流动速度加快,进而增加气缸内的气体充量。
因此,叶片的流场特性对涡轮增压器的性能起着至关重要的作用。
为了研究涡轮增压器叶片的流场特性,科学家们使用数值模拟方法进行了深入的研究。
数值模拟方法通过建立数学模型,利用计算机进行求解,模拟真实的物理现象。
在涡轮增压器叶片的流场模拟中,科学家首先根据涡轮增压器的几何形状、边界条件等,建立起相应的数学模型。
然后,利用计算流体力学方法,对流场进行求解,得到流场的速度、压力、温度等关键参数的分布情况。
在涡轮增压器叶片的流场模拟中,流体的运动遵循了流体力学的基本方程,即连续性方程、动量方程和能量方程。
其中连续性方程描述了流体的质量守恒,动量方程描述了流体的动量守恒,能量方程描述了流体的能量守恒。
通过求解这些方程,可以得到流场的各种参数。
在对涡轮增压器叶片流场进行数值模拟的过程中,需要考虑到多个关键因素。
首先是边界条件的设定。
边界条件是指在模拟中设置的一些物理参数,如进气速度、压力等。
这些参数的选取非常关键,它们对模拟结果的准确性和可靠性有着直接的影响。
其次是网格的划分。
计算流体力学方法需要将流场划分成一个个离散的网格点,通过在各个网格点上建立求解方程,最终得到整个流场的解。
在划分网格时,需要考虑到叶片的几何形状和流场特性,合理选取网格密度和大小。
最后是求解方法的选择。
计算流体力学方法有多种求解方法,如有限元法、有限差分法和有限体积法等。
根据实际情况选择适合的求解方法,可以提高模拟的效率和准确性。
通过数值模拟,科学家们可以得到涡轮增压器叶片流场的各种关键参数。
其中最重要的是叶片的压力分布和流速分布。
叶片的压力分布直接影响到气流的加速和流动方向,进而影响到整个涡轮增压器的增压效果。
2009年2月第30卷 第1期推 进 技 术JOURNAL OF PROP ULSI O N TECHNOLOGYFeb 12009Vol 130 No 11低压涡轮叶型边界层相互作用的数值模拟3罗华玲,乔渭阳(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072) 摘 要:基于Lantry 2Menter 转捩模型,应用商用流体计算软件求解非定常雷诺平均N 2S 方程组,对进口雷诺数为215×104,来流湍流度为215%,尾迹折合频率为0192状态下的尾迹/P AK 2B 叶型边界层的相互作用进行了数值模拟。
数值计算揭示的尾迹在叶栅通道中的输运特性、尾迹诱导卷起涡形成、尾迹诱导边界层转捩等物理机制大致符合相关实验定性描述。
关键词:低压涡轮;非定常流;尾流;转捩模型+;数值仿真中图分类号:V231 文献标识码:A 文章编号:100124055(2009)0120095206 3 收稿日期:2007208206;修订日期:2008202229。
作者简介:罗华玲(1983—),男,博士生,研究领域为低压涡轮内部流动机理及流动控制研究。
E 2mail:luohualing708@yahoo 1com 1cn Nu mer i cal si m ul ati on for i n teracti on between wake andboundary l ayer on a low 2pressure turbi n e profileLUO Hua 2ling,Q IAO W ei 2yang(School of Power and Energy,North western Polytechnical Univ .,Xi ’an 710072,China )Abstract : The engineering design of high 2lift or ultra 2high 2lift l ow 2p ressure turbines based on unsteady fl ow envir on 2ments requires supports of p r oper nu merical t ools .Based on Langtry 2M enter transiti on model,the interacti on bet w een wake and boundary layer on P AK 2B p r ofile was si m ulated by using commercial CF D code t o s olve the URANS equati ons,with inlet Reynolds nu mber,free strea m turbulence lever and the wake reduced frequency t o be 215×104,215%,and 0192,res pective 2ly .The physical mechanics discl osed by p redicted results such as the trans portati on of wake,the devel opment of r oll up vorte 2xes,and the transiti on induced by wake,showed a qualitative agree ment with the open experi m ental descri p ti ons .Additi onal 2ly,the p redicted results need further quantitative validati on .Key words : Low 2p ressure turbine;Unsteady fl o w;W ake;Transiti on model +;Nu merical si m ulati on1 引 言 由于转静叶排之间的相对运动,上游叶片排产生的尾迹是低压涡轮内部非定常流动的主要源头。
涡轮增压器叶轮流场数值模拟与分析涡轮增压器(Turbocharger)作为一项重要的汽车发动机动力增加装置,具有高效率、低排放以及提升动力等优势,在汽车行业中得到广泛应用。
而涡轮增压器叶轮流场数值模拟与分析是对涡轮增压器性能评估的重要手段。
本文将通过数值模拟的方法,对涡轮增压器叶轮的流场进行分析,探讨其运行机理与性能优化。
一、涡轮增压器原理简介涡轮增压器作为一种以废气能为动力的装置,通过废气的压力能转化为机械能,驱动引擎进气,提高其功率输出。
其基本构造由涡轮及增压器两个部分组成。
涡轮由涡轮叶片、轴和轴承组成,通过废气的作用下旋转,并将旋转动能传递给增压器,增加进气压力。
增压器由压气机壳、压气机叶片和出口管组成,将旋转动能转化为压力能。
二、涡轮增压器数值模拟方法为了更好地理解涡轮增压器的运行机理和性能特性,在实际工程中采用数值模拟的方法进行研究是常见的手段。
数值模拟可通过计算流体力学(CFD)方法实现,该方法基于流体力学原理和数值计算方法,对流体流动进行模拟与计算。
1. 几何建模涡轮增压器叶轮的几何形状对其性能有着重要影响,因此建立准确的叶轮几何模型至关重要。
常见的方法包括基于实际叶轮形状的三维建模和基于理想叶轮形状的二维轴对称建模。
其中,三维建模更接近真实情况,但计算复杂度较高,而二维轴对称建模则适用于一些简化的研究工作。
2. 网格划分数值模拟需要将流体区域划分为小单元,即网格。
合适的网格划分可以提高计算精度,同时也决定了计算复杂度。
在涡轮增压器叶轮流场模拟中,将流经叶轮的区域进行三维网格划分,确保在叶轮表面和流经区域都有足够的网格分辨率。
3. 基本方程涡轮增压器流场模拟主要涉及流体力学的基本方程,包括连续方程、动量方程和能量方程。
连续方程描述了质量守恒原理,动量方程描述了动量守恒原理,能量方程描述了能量守恒原理。
这些方程通过网格单元边界上的守恒通量以及初始和边界条件进行求解。
4. 数值求解利用有限体积法或有限元法等数值求解方法,对基本方程进行离散化处理,转化为代数方程组。
涡轮叶栅损失的实验与数值研究
涡轮叶栅损失是涡轮机械中的一个重要问题,是指在涡轮叶栅中出现的流动损失。
研究涡轮叶栅损失的实验和数值模拟方法对于提高涡轮机械的效率和性能具有重要意义。
本文将结合实验与数值模拟两个方面,深入分析涡轮叶栅损失的研究情况。
风洞实验通过搭建仿真的风洞实验装置,模拟涡轮叶栅的流动场景,测量叶栅表面的静压分布和流速等数据,进而计算出流动损失。
通过改变叶栅的参数,如叶栅间距、厚度等,研究其对涡轮叶栅损失的影响。
涡轮试验台实验是一种更接近实际工况的实验方法。
通过在试验台上安装涡轮叶栅,模拟涡轮机械的运行场景。
通过测量压力传感器上的压力变化,可以得到叶栅的压力分布情况,再根据压力分布计算出流动损失。
雷诺平均N-S方程模型是一种常用的数值模拟方法。
该模型基于雷诺平均的假设,通过求解雷诺平均N-S方程,模拟流场中的流动行为。
通过该模型可以对叶栅流场进行精确的计算和分析。
大涡模拟方法则是一种近年来较为先进的数值模拟方法。
该方法通过划分涡旋尺度,模拟大涡的运动行为,忽略小涡的影响。
通过这种方法可以更加准确地模拟和计算涡轮叶栅的流动行为。
通过实验和数值模拟的研究方法,可以深入分析涡轮叶栅损失的成因和影响因素,并提出相应的改进措施。
比如,通过优化叶栅的设计参数,如叶栅间距、角度等,可以减小流动损失,提高涡轮机械的效率和性能。
此外,也可以通过优化叶栅表面的涡结构,进一步减小流动损失。
总之,涡轮叶栅损失的实验与数值研究可以为涡轮机械的设计和改进提供重要的指导和方法。
通过不断深入研究,涡轮叶栅的效率和性能将得到进一步提高。
收稿日期:2008-06-27; 修订日期:2008-12-09作者简介:许开富(1980-),男,广西北流人.西北工业大学博士研究生1文章编号:1001-2060(2009)04-0432-05涡轮叶尖间隙流动的数值模拟许开富,乔渭阳,罗华玲(西北工业大学动力与能源学院,陕西西安710072)摘 要:采用基于雷诺平均N-S方程的三维CFD计算程序,并结合S palart-Allmaras一方程或k-epsilon双方程湍流模型加壁面函数的方法,对涡轮平面叶栅和涡轮级转子的叶尖间隙流场进行了数值计算,详细研究了不同叶尖间隙高度、不同叶尖间隙形式和叶尖间隙有冷气入射时其对涡轮叶尖间隙流场和性能的影响。
计算结果表明:叶尖间隙对从大约70%叶高到叶尖位置的叶片损失具有明显的影响;在同样间隙大小情况下,余高间隙叶片等熵效率比平间隙叶片等熵效率约提高了一个百分点;而叶尖间隙有冷气入射时涡轮的等熵效率要比无冷气入射时的等熵效率约提高两个百分点。
关键词:涡轮;涡轮性能;间隙流动;泄漏涡;流场计算中图分类号:TK474;O242 文献标识码:A引 言叶尖间隙泄漏流动是叶轮机转子流动中最普遍和最具影响的流动过程之一,由于多种原因,伴随着旋涡运动的叶尖泄漏流动对叶轮机的性能产生不利的影响,其中包括:泄漏流动以及产生的旋涡对通道流动造成的堵塞、下游流动非定常性(在相对坐标系内)、复杂的叶片热传递及产生的二次流造成的气动热力损失等。
文献[1]中指出,涡轮中三分之一以上的损失由叶尖间隙泄漏流引起,而降低损失、提高效率一直是涡轮部件必须解决的重要问题。
因此研究涡轮叶尖间隙流动结构、涡轮叶尖间隙流动损失机理以及控制减小间隙泄漏流动损失等一直是涡轮叶尖间隙研究的主要课题[2~4]。
近年来,随着CFD技术的迅速发展,通过流场数值模拟对涡轮叶尖间隙泄漏流的研究越来越得到重视[5~7]。
本研究采用数值模拟方法对包括间隙在内的涡轮三维粘性流场进行了详细的计算分析,旨在深入理解轴流式涡轮近机匣区域的泄漏流、泄漏涡以及相应的二次流的物理机制,理解产生这种二次流的物理机理以及它们之间的互相依赖和互相干涉关系,并分析叶尖间隙流对涡轮气动性能影响的规律。
构建数学模型解决航空发动机涡轮叶片的失效问题一、引言随着航空工业的日益发展,航空发动机已成为载体的核心部件。
其中涡轮叶片作为航空发动机的重要组成部分,其贡献了巨大的功效。
然而,由于长时间的高温、高压气流和压力交替作用下,一些涡轮叶片会在使用过程中发生失效甚至断裂的情况,给飞机的安全带来了隐患。
面对这一难题,航空工程师和数学专家合作,通过建立数学模型来有效预测和解决这一问题,具有重要的实践意义和科学价值。
二、叶片失效的原因1. 疲劳和裂纹涡轮叶片的使用过程中,由于气流的不断影响,叶片内部存在相当大的应力和变形。
长时间使用会导致叶片内部的裂纹加速形成或扩展,最终导致失效。
2. 热腐蚀当涡轮叶片处于高温环境下时,其表面会以不同的形式产生腐蚀作用,受腐蚀及氧化的情况下,会导致叶片强度、韧性和韧度下降,从而导致失效。
三、建立数学模型针对叶片失效原因的不同,需要建立不同的数学模型。
本篇文章将以叶片疲劳和裂纹为例,讨论如何建立数学模型来解决问题。
1. 叶片的应力计算叶片的应力主要受叶片结构、气流速度、温度、材料等因素的影响。
根据这些影响因素和涡轮叶片的物理特性,可以建立出涡轮叶片的应力计算模型,通过计算模型得出涡轮叶片的最大应力。
2. 生命周期评估模型在涡轮叶片的使用过程中,涡轮叶片存在着固有的使用寿命。
我们需要建立一个生命周期评估模型,通过模型对涡轮叶片的使用寿命进行评估,判断叶片使用是否合格。
并且通过评估结果,不断改进涡轮叶片的材料和结构,提高叶片的使用寿命。
3. 强度验算模型针对叶片裂纹和疲劳失效的问题,可以建立强度验算模型。
模型将按照叶片的形态、材料和应力等因素,对叶片内部的裂纹进行评估,最终得出这些裂纹对叶片强度的影响。
四、数学模型应用建立数学模型的目的是为了有效预测叶片的失效情况,并且提出相应的改善方案。
准确的模型结果对于改善涡轮叶片的设计以及提高涡轮叶片的使用效率和可靠性具有非常重要的意义。
1. 叶片设计优化可以通过分析建立的数学模型,改进涡轮叶片的设计,使其更加坚固、抗拉强度更高,以减少叶片发生失效的风险。
带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场数值模拟
摘要:
一、引言
二、带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场数值模拟的原理
三、数值模拟的方法和过程
四、实验结果与分析
五、结论
正文:
一、引言
随着环保意识的不断提高,人们对水力发电这种可再生能源的兴趣日益浓厚。
水轮机作为水力发电的核心设备,其性能的优化一直是研究的重点。
本文以带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场为研究对象,采用数值模拟的方法,探讨其性能特点和优化方向。
二、带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场数值模拟的原理
带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场数值模拟是基于计算流体力学(CFD)的方法,通过建立流体流动的数学模型,模拟流体在叶轮流场中的运动状态,从而分析叶轮流场的性能。
三、数值模拟的方法和过程
首先,根据叶轮流场的几何形状和物理特性,选择合适的数值模拟方法和网格划分方案。
然后,设定模拟的边界条件,包括进口速度、出口压力、壁面条件等。
接着,进行数值计算,得到流体速度、压力、湍流参数等物理量在叶
轮流场中的分布。
最后,对计算结果进行后处理,提取所需的性能参数和流动特性。
四、实验结果与分析
通过数值模拟,得到了带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场的流体速度、压力、湍流参数等物理量的分布。
分析结果表明,叶冠形式的叶轮流场具有较高的效率和稳定性,能够有效减小流体的湍流损失和叶片的磨损。
五、结论
本文通过数值模拟的方法,研究了带叶冠形式的径流涡轮叶轮流场的性能特点。
结果表明,叶冠形式的叶轮流场具有较高的效率和稳定性,是一种有潜力的水轮机优化方案。
Detection and numerical analysis of the most efforted places in turbine blades under real working conditionsTomasz Sadowski ⇑,Przemysław GolewskiLublin University of Technology,Department of Solid Mechanics,Nadbystrzycka 40Str.,20-618Lublin,Polanda r t i c l e i n f o Article history:Received 31October 2011Received in revised form 19February 2012Accepted 29February 2012Available online 24March 2012Keywords:Turbine bladesThermal Barrier Coatings Numerical modeling Crack propagation XFEM methoda b s t r a c tBlades of combustion turbines are elements which transfer an operative energy to an engine rotor.The blade consists of two pieces:a working piece called a profile covered by Thermal Barrier Coating (TBC)and a footer.The most dangerous parts of the blades are subjected to very high stress concentrations.They are situated in the profile section with the footer connection,where the maximum values of bending moments occur resulting from centrifugal forces and pressure of a working medium on the profile sec-tion.In the work we propose an extension of the turbine blade design strategy (in comparison to [5,12,13])by application of submodeling technique to perform more detailed analysis of damage process and pro-gressive fracturing of the most efforted cross sections of the blade.In particular cracking direction of the TBC was analyzed numerically with application of the XFEM technique.The critical values of rotor speeds were estimated at which damage process initiates and further develops.The damage of TBC can lead to destruction of protective covering and exposures the whole turbine blade core (made of alloys)to sudden thermal shock.Ó2012Elsevier B.V.All rights reserved.1.IntroductionDevelopment of super alloys,as material for production of tur-bine blades of combustion engines,took place in second half of twentieth century.The main reason of their use was lack of yield limit decrease with simultaneous increase of operation tempera-ture of the blade work.For _ZS6U alloy,applied for the blade pro-duction,this decrease is not higher than 1%for the temperaturesinterval from 20to 800°C.The blades of jet engines are subjected to extremal working requirements described by the following factors:Àwork environment (high temperature,fuel,oxygenation,solid particles),Àhigh mechanical stresses (acting from centrifugal force [1,3],vibration [2]),Àhigh thermal stresses (e.g.[5–11])(in results of large gradients of temperatures).Therefore designing of the turbine blades are very complex prob-lem,which can be solved partly by application of analytical methods,but numerical one play more significant role.The problem is more complex,when the turbine blade is covered by Thermal Barrier Coat-ing (TBC)and is additionally protected by a cooling channels system, e.g.[5,12].It is also necessary to introduce to the analysis description of the damage processes,which develop during operation.In the present paper analytical methods of stress estimation in the turbine blade were presented as an introduction to solution of the problem.However,because of complex turbine blade shape these methods are not enough in designing process.The aim of the present work is an extension of the numerical methods in the turbine blade design by application of submodeling technique.It allows to perform more detailed analysis of damage process and progressive fracturing of the most efforted places of the turbine blade.In particular the work was concentrated on the profile with the footer connection in order to define direction of damage devel-opment,e.g.cracking of the TBC.The progressive damage was modeled numerically with application of the XFEM technique [4].The critical values of rotor speeds were estimated at which damage process initiates and further develops.The damage of TBC can lead to destruction of protective covering and further exposures the whole turbine blade core (made of alloy)to sudden thermal shock.2.Blade loads of jet-propelled enginesLoads of the blades of whirling machines with axial medium flow can be divided into three principal groups: loads from medium flow, body forces,0927-0256/$-see front matter Ó2012Elsevier B.V.All rights reserved./10.1016/matsci.2012.02.048Corresponding author.Tel.:+48815381386;fax:+48815256948.E-mail address:t.sadowski@pollub.pl (T.Sadowski).thermal loads.Thefirst loads are caused by dynamics offlowing medium around the profiled part of the blade.The body forces include:cen-trifugal forces of the blades(together with elements connected with them)as well as forces caused by springy vibrations of the blades and the whole rotor.The blade,being in the stream of a very hot medium,warms not uniformly.This generates additional forces and internal stresses.The state of stresses,created during the turbine blades opera-tion and in axial compressors are very complex.One can distin-guish the following resistance states:1.Stretching–caused by the centrifugal forces of whirling massesof the blade and bandage.2.Bending–due to medium pressure on the profiled part.3.Bending–as a result of centrifugal forces of the whirling mass of the blade.4.Cutting–due to twist moments caused byflowing medium.5.Cutting–by twist moments due to body forces of the blade.6.Bending–caused by transverse vibration of the blade.7.Cutting–due to twisting vibrations of the working part of the blade.In designing process of the turbine blades we assume,that nor-mal resultant stresses in any transverse section of the bade are equal to(according to superposition rule)an algebraical sum of the normal component stresses due to above specified strength states.We are looking for the most efforted turbine places(cross sections),e.g.where the largest normal or the reduced stresses occur.3.Turbine blade materialFor our investigation we assumed that the turbine blades mate-temperatures from500°C to700°C the small increase of the yield limit was observed in comparison with the room temperature.For the temperature above700°C a decrease of mechanical properties of alloy is visible.4.The analytic method of the state of stress estimation in the most efforted cross section of the blade4.1.Stretching of the bladeThe blade with the length of the working part l([m])is sub-jected to the centrifugal force(Fig.2).Let us denote by c[N/m3] specific weight of material;by–F,F i,F0[m2]cross sections areas of the blade in distances r and r i as well as R0[m]from axis of rota-tion.Moreover angular velocity of the rotor is designated by x [rpm].In the cross-sections(characterized by distances r i and R0)the tensile stresses are equal to:rri¼x2gFiZ lx ic FðR0þxÞdxð1Þr Ro¼x2gFZ lc FðR0þxÞdxð2Þwhere g is a gravitational acceleration[m/s2].Fig.3shows the level of the tensile stress and the centrifugal force in relation to the length of the blade.The extreme value,equal to378MPa,was ob-served at the basis blade.The corresponding rotor angular velocity was equal to30,000r.p.m.and dimensions of the blade approxi-mately equal to:length–60mm,width–21mm,thickness–1.3mm.4.2.Bending of the blade due to centrifugal force286T.Sadowski,P.Golewski/Computational Materials Science64(2012)285–288total moments in the cross section and in relation to axis x and y are:M xd¼cgx2Z R1riFðyriÀy i rÞdr M yd¼cgx2Z R1r iFðxÀx iÞrdrand near the footer of the blade:MðsÞxd ¼cx2R0Z R1R0Fydr MðsÞyd¼cgx2Z R1R0FxrdrThe above defined bending moments along axes x and y,can be decomposed along main central axis x0,y0receiving resultant mo-ment in direction of the axis x0–M x0as well as in direction of the axis y0–M y0.Due to change of the cross section area for any ray va-lue,calculations of bending moments were conducted with the use of tabular method for ten specified values of rays r.The largest bending stresses takes place in points of the cross-section denoted by letters A,B,C,D(Fig.5)and they are equal to:r0gA;B;C;B¼M y0y0x A;B;C;D r00gA;B;C;D¼M x0x0yA;B;C;Dwhere J x0,J y0are the main central moments of inertia of the blade cross section[m4]x A,B,C,D and y A,B,C,D are co-ordinates of points A, B,C,D related to the central main axis[m].5.The numerical method of the stress state calculation in the most efforted places of the bladeThe aim of the numeric simulation was assessment of the most efforted places in the turbine blade to compare obtained results with the analytic method.The assembly consisted of the blade as well as the part of the socket in which the blade was installed.Due to the complicated shape of the blade and the socket a linear tetrahedron elements C3D4were used to create thefinite element mesh for FEA simula-tion with the help of ABAQUS code.The total quantity of thefinite elements was66,222(51,540for the blade and14,682for the sock-et).The simulation was a static type and two types of loads were applied:the rotary speed with value27,000rot/min and the pres-sure applied to the surface of the working part of the blade equal to 0.22MPa.As a results the distribution of Mises reduced stresses was obtained.The simulation confirmed,that the extreme values of stresses are at the level of454MPa(Fig.6)placed in a small dis-tance from the leading edge on the suction side of the blade.The second stage of the numerical simulation consisted in sep-aration from the global model of the blade a volume,where the largest stress concentration occured(creation of the submodel) [14].The new model was divided into partition and a thin protec-tive TBC layer(ZrO2)of thickness about0.3mm was additionally selected.In order to include a damage process in the TBC material model description(e.g.[13])the maximum stress criterion was applied. The loadings for the submodel were obtained from simulation of the global model.To make the mesh offinite elements C3D8R lin-ear hexahedral elements were used;total quantity about104,987. After calculations of the submodel,the same values of displace-ments were received,as in global one.However,the Mises stresses were about18.6%larger in relation to the global model.A several simulations were conducted for different values of the rotor speeds,observing initiation and development of the damage which appeared in the thin layer TBC.The relation between rotor speed and the quantity of damaged elements is presented in Fig.7.6.Final conclusionsThe obtained results lead to the following conclusions:The convergence of results obtained for both models:analytical and numerical was achieved.The maximum of the reduced Misses stresses occured in the basis of blade.Tensile stress and the centrifugal force in relation to the lengthofFig.4.Bending of the blade due to centrifugal force.The normal stress coming from stretching(about378MPa)and bending(about46MPa)has the local maximum in point B (Fig.5)and is equal to424MPa.After taking into account shear stresses the maximum value of the Misses stress are above point B also on the edge of cross section with value454MPa. The submodeling technique,applied in numerical calculations, permitted for creation veryfine thefinite element mesh for detailed analysis of the selected fragment of the turbine blade.In the global model this fragment was described by772ele-ments,meanwhile the submodel possessed104,987elements.This approach allows for more exact calculation of the Misses stress values,which were about18.6%larger in relation to glo-bal model(taking into consideration maximum value).Using the X-FEM technique we assessed the critical threshold of the rotor speed with the turbine blade at the thin TBC layer does not undergo damage.After exceeding of the speed level equal to 26,750rpm,it comes to quick damaging of elements until the speed limit27,500rpm.Then the damage growth is smaller for higher values of the rotor speed.The presented approach of detecting the most efforted places in the turbine blades can be useful in engineering design in order to avoid or at least decrease numbers of expensive experimental tests.AcknowledgmentsThe research leading to these results has received funding from:(1)Financial support of Structural Funds in the Operational Pro-gramme–Innovative Economy(IE OP)financed from the European Regional Development Fund–Project‘‘Modern material technolo-gies in aerospace industry’’,No.POIG.0101.02-00-015/08is grate-fully acknowledged(RT-10:Modern barrier covers on critical engine parts).(2)The European Union Seventh Framework Programme(FP7/ 2007–2013),FP7–REGPOT–2009–1,under Grant Agreement No.:245479.References[1]E.Poursaeidi,M.Aieneravaei,M.R.Mohammadi,Eng.Fail.Anal.15(2008)1111–1129.[2]J.Li,S.T.Lie,Z.Cen,Finite Elem.Anal.Des.35(2000)337–348.[3]L.Chen,Y.Liu,L.Xie,Int.J.Fatigue29(2007)10–19.[4]P.Michlik,C.Berndt,Surf.Coat.Technol.201(2006)2369–2380.[5]T.Sadowski,P.Golewski,Comput.Mater.Sci.50(2011)1326–1335.[6]T.Sadowski,Non-symmetric thermal shock in ceramic matrix composite(CMC)materials,in:R.de Borst,T.Sadowski(Eds.),Lecture Notes on Composite Materials–Current Topics and Achievements,Springer,2008.[7]T.Sadowski,S.Ataya,K.Nakonieczny,Comput.Mater.Sci.46(2009)687–693.[8]T.Sadowski,K.Nakonieczny,Comput.Mater.Sci.43(2008)171–178.[9]T.Sadowski,M.Boniecki,Z.Librant,K.Nakonieczny,Int.J.Heat Mass Transfer50(2007)4461–4467.[10]K.Nakonieczny,T.Sadowski,Comput.Mater.Sci.44(2009)1307–1311.[11]K.Nakonieczny,T.Sadowski,Comput.Mater.Sci.47(2010)867.[12]M.Białas,Surf.Coat.Technol.202(2008)6002–6010.[13]T.Sadowski,P.Golewski,Comput.Mater.Sci.52(2012)293–297.[14]Abaqus6.10Documentation.。
第12卷 第2期航空动力学报Vol.12No.2 1997年4月Journal of Aerospace Power Apr. 1997涡轮叶栅叶型损失的数值模拟方法北京航空航天大学 于 清**哈尔滨工业大学 杨 弘【摘要】 给出了一个计算亚、跨音涡轮叶栅叶型损失的数值计算方法。
主流采用时间推进有限体积法求解积分型欧拉方程,并采用了局部网格修正技术;附面层采用全隐格式求解有限差分方程;在叶栅出口与远后方均匀流之间进行了叶片尾迹与主流的掺混损失计算。
算例表明本文的数值方法可准确地预测涡轮叶栅的叶型损失。
主题词: 叶型损失 数值模拟 涡轮 叶栅流动 分类号: V231.3 V211.191 前 言 要正确预测叶栅的气动性能关键在于对流道内部各种损失的合理确定。
工程设计中广泛应用的损失计算方法仍然是建立在大量实验数据基础上的经验计算公式[1,2],所有的经验公式都只反映部分叶栅几何参数和气动参数同损失的变化关系。
大量的数值计算及实验表明,叶片型面设计对叶栅流道内的损失有很大影响,局部型面的变化有可能引起叶片表面气流分离的发生。
因此,损失经验计算公式的适用性就受到了很大的限制。
本文数值模拟求解叶型损失的方法分为三步:(1)主流区无粘流场的计算,求得叶片表面的压力分布和速度分布;(2)叶片表面附面层的计算,确定附面层的特征参数以及叶栅出口附面层的速度形分布;(3)栅后的气流掺混计算。
主流流场的求解是关键,合理的叶片表面压力分布,是附面层求解的前提,而附面层的计算结果又是掺混计算的出发点。
2 计算方法2.1 主流场的求解 基本方程是建立在任意回转面的正交曲线坐标系下,不考虑气体的粘性,其中 =const,为子午面,0≤ ≤2 ,n=co nst,为旋成流面,l是与上述旋成流面正交的旋成面。
根据流面假设,对于任意气流参数均有: / n=0,W n=0。
这样就将流动控制方程简化为二维,在绝热、无质量力的假设条件下,微分型的连续方程、运动方程和能量方程可由矩阵表示为:Q1( Z/ t)+Q2( Z/ l)+Q3( Z/r )+Y=0(1) Z为变量向量,Q1,Q2,Q3,Y为系数及常量矩阵[3]。
负攻角下叶栅损失的数值模拟与改进分析邹建伟1 ,江海河2(1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046; 2吉林化肥农药集团有限公司,吉林松源131109)摘要:对某200MW 机组中压末级的进行了数值模拟,针对动叶片进口大负攻角,攻角损失大的情况,对动叶片进行优化设计,提高机组的效率。
关键词:叶栅;攻角损失;数值模拟;优化分类号: TK263. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 25884 ( 2007 )0520355202The N u m e r ica l Si m u l a tion and Imp roved A na lysis of Ca s cade Lo s s unde r N e ga t ive Inc i denceZOU J ian2we i1 , J I A N G H a i2he2( 1H a r b i n Tu rb i ne Comp a ny L i m ited, H a r b i n 150046 , Ch i na;2 J ili n Fe rtiliz e r and Pe s ti c i de Group Comp a ny, J ili n Songyuan 131109 ,Ch i na)A b stra c t: The p ap e r ca rrie s the nu m e rica l si m u la tion of the la st stag e b lade in 200MW in te r m ed ia te p re ssu re tu r b i n e. F o rla rge neg a tive inc idence in b lade in le t and se riou s inc idence l o ss, m ade op ti m iza tion de sig n and inc rea sed obvio u sl y the tu r2b i ne effic iency.Key word s: ca s ca d e; i n c i den c e lo s s; n u m e r i ca l s i m u l a t i on; op t i m iza t i o n静叶片网格节点数为: 90 242, 动叶网格节点数为: 110 700。
超声压气机叶栅流场的数值模拟与试验验证唐凯;葛宁;顾杨;向宏辉;马昌友【摘要】Supersonic compressor cascade has become a key issue for its high pressure ratio and applying to high speed fighter. But its loss is uncontrolled, the shock wave system is complex and the shock wave and boundary layer interaction are unpredicted. Based on NUAA program for supersonic compressor cascade flowfield, calculation analysis was conducted. And through the comparison between calculation results and experimental investigation, the performance parameters, shock formation and shock location at the condi⁃tion of different Mach number and attack angle were discussed. The results show that the NUAA program could correctly predict the shock wave structure and surface Mach number distribution, and the simulation results were good agreement with the experimental results. The program is helpful for supersonic compres⁃sor cascade design and testing result validation.%高超声压气机叶栅因适用于战斗机高马赫数飞行、增压比高而成为研究热点,但其损失难以控制,波系结构复杂,激波附面层干扰结果难以预测。
成绩________北京航空航天大学叶轮机械原理实验报告学院能源与动力工程学院专业方向热能与动力工程班级120421 ___________________学号___________________________学生姓名________________________指导教师________________________实验四涡轮叶栅流场显示实验4.1 实验目的1、熟悉流动显示的实验方法,掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这重要的科研方法;2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。
4.2 实验内容1、在水槽中,利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在-20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场,认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点;2、在水槽中,利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在-20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场,认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点;3、在水槽中,利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在-20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场,认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点;4、在水槽中,利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在-20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场,认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点,帮助理解涡轮内的流动现象。
4.3 氢气泡法流场显示方法氢气泡流动显示技术是近几十年发展起来的流动显示技术,跟随性好、分辨率高,既可作定性观察又能作定量测量,适用于湍流、旋涡等非定常流动和紊流脉动的研究。
收稿日期:1999-08-12;修订日期:1999-10-30基金项目:教育部博士点基金资助项目(97021305)作者简介:王松涛(1971-),男,哈尔滨工业大学241教研室讲师,博士第15卷 第3期2000年7月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVol.15No.3July 2000文章编号:1000-8055(2000)03-0274-04叶栅内冷气射流场结构的数值模拟王松涛 冯国泰 王仲奇(哈尔滨工业大学241教研室,黑龙江哈尔滨 150001)摘要:采用具有T V D 性质的三阶精度Go dunov 格式对涡轮叶栅背弧表面进行了冷气喷射的数值模拟。
射流由冷气孔喷出后在空间的发展过程中逐渐形成典型的卵形涡对,在压力场的作用下射流被压弯并逐渐向背弧表面靠拢。
射流在出口附近具有刚体的特性,并在射流前方形成了鞍点及马蹄涡。
同时本文还验证了大冷气喷射速率条件下,卵形涡消失于主流而非边界层内的结论。
关 键 词:叶栅;流场;数值模拟自 由 词:冷气喷射;卵形涡中图分类号:V 231.3 文献识别码:A1 前 言 随着涡轮入口温度的提高,涡轮冷却技术研究的重要性越来越为人们所重视。
如何合理地选择冷却方案以获得最佳的冷却效果是冷却技术研究的目的所在。
冷气射流场的结构、射流场与主流场以及射流场之间的相互作用是影响冷却效果及气动效率的主要因素。
国内外在这一领域里相继开展了一些实验研究[1~4],给出了冷气掺混的基本过程及流场的基本结构。
在90年代初期,国外的学者就开始了通过求解N-S 方程进行冷气喷射流场数值模拟的研究工作,希望通过数值模拟这一手段对冷气掺混的机理进行深入的研究。
Gar g 和Gaugler 采用B-L 模型对实际涡轮考虑冷气掺混的情况进行了计算,但该方法没有计及冷气腔的计算[5,6]。
Do ney 和Davis 分别对二维及三维涡轮的冷却进行了计算[7],但由于所采用网格技术上的缺陷,使该计算未能很好的模拟出冷气孔周围的流场。
燃气轮机高压涡轮叶片粒子磨损数值模拟皮骏;黄磊;高树伟;黄江博;马龙【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)008【摘要】为研究颗粒粒径对燃气轮机高压涡轮叶片磨损程度的影响,运用CFX?TASCflow软件对粒子轨迹和磨损区域进行DPM(Discrete Phase Model)数值模拟,采用拉格朗日法对流场中大量粒子轨迹进行追踪,使用不同浓度的机场跑道粒子(粒径10~1500μm)对叶片进行磨损仿真预测,利用CFD?Post提取磨损数据和图像.研究表明:直径为10~80μm的微粒倾向于跟随气流运动,对叶片造成轻微磨损;直径大于100μm的粗粒轨迹明显偏离气流路径,对叶片造成多次严重损伤;随着机场跑道粒子质量浓度的增加,叶片磨损质量线性增加,粒子质量浓度为600 mg/m3时叶片前缘与叶盆后部损伤最为严重,与文献实验结果吻合.通过一系列实验表明粒子平均磨损率为2.6 mg/g.【总页数】5页(P19-23)【作者】皮骏;黄磊;高树伟;黄江博;马龙【作者单位】中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300;中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300【正文语种】中文【中图分类】TH1197.1【相关文献】1.结合分割逼近和粒子群法的燃气轮机叶片轮廓度误差计算 [J], 王建录;刘学云;廖平;赵万华2.QD128燃气轮机高压涡轮叶片掉块故障分析 [J], 权立宝;宋文超;郭振轩3.燃气轮机叶片的溅射中性粒子质谱分析研究 [J], 邵力为4.燃气轮机叶片前缘气膜冷却的数值模拟 [J], 程骁;赵志军;赵康5.粒子分离器叶片涂层冲蚀磨损的数值模拟 [J], 邓瑛;闫晓军;聂景旭因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
涡轮平面叶栅损失的数值预测
常建忠;李国君;沈祖达
【期刊名称】《汽轮机技术》
【年(卷),期】1995(000)001
【摘要】介绍在有粘/无粘迭代计算流场基础上数值预测涡轮平面叶栅损失的方法。
无粘计算采用时间相关有限面积法;边界层计算采用积分方程求解方法。
叶栅损失由混合损失和这界损失组成。
其中混合损失由质量、动量、能量三个守恒方程求出。
【总页数】1页(P39)
【作者】常建忠;李国君;沈祖达
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TK263.3
【相关文献】
1.低压涡轮Spoon叶片设计技术平面叶栅数值研究 [J], 侯伟涛;王国强;罗华玲;赵磊
2.跨音速涡轮平面叶栅风洞收缩段设计方法研究 [J], 韩建涛;王晏根;阳诚武;李紫良;朱俊强
3.跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究 [J], 牛佳宝; 原泽; 张建; 张海; 岳国强
4.不同燃气输运特性计算方法对涡轮平面叶栅对流换热的影响 [J], 薛钰;刘景源
5.涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失 [J], 刘高文;董素艳;刘松龄
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