从分析涡轮壳冲击冷却系统

文摘

传热和压降为代表的一部分涡轮主动冷却系统的数值研究是通过内部代码的方法。这段代码开发框架的内部研究项目,通过实验和CFD进行验证。分析系统代表了古典打开鸟笼的安排,由一个空气供应管控制阀和当前系统收集器箱和管道,分发冷却空气在圆周方向的套管。冷却空气离开ACC系统通过小洞底部的管。这些管子延长约为180°套管和可能涉及大量的冲击孔;结果,撞击飞机的质量流率可能相差很大的喂食管汇与实现传热直接影响水平。本研究关注的是性能、传热系数和压降,几个冲击管几何图形。由于这种分析,几个设计方案进行比较和讨论。

1。介绍

以高速度撞击飞机已成为建立方法表面冷却或加热过程和热控制的各种应用程序。撞击飞机的使用现代航空发动机的冷却组件非常普遍,特别是在炎热的固定部分。因为撞击射流的冷却性能非常高,这种方法提供了一种有效的方式来管理组件热负荷时足够的压头和实施几何特性是可用的。冷却飞机通常安排作为数组(1]。

航空发动机外壳温度控制是一个非常有效的方法来减少空气动力损失和燃油消耗率叶尖间隙。由于离心和热负荷的重要的变化发生在不同的引擎操作条件,叶尖间隙可以是非常变量;这样的空间变异可能恶化发动机性能,降低组件的寿命(2]。为了克服这些问题,主动热间隙控制(ACC),一般基于冲击冷却,已成功引入多个应用程序中描述Halila et al。3),贝克和嘉年华4),以及最近Justak和甜香槟(2]。在这样的系统中,撞击飞机指向外部涡轮壳通过一系列的圆周进料管道的最终目的,是保持叶尖与套管之间的间隙尽可能常数在不同的引擎操作条件(数据1和2)。根据引擎架构,压缩机的冷却空气可以流血或从风机流中提取。然后撞击系统压力比的结果ACC配置:低于1.1的冷却空气从风机流中提取,而高当冷却剂来自压缩机。

正确的评价撞击射流的质量流率(即。,the characterization of the holes discharge coefficient) and the related heat transfer coefficient is a fundamental activity.

流量系数()被定义为实际的质量流率比通过一个洞和等熵流率。它总结了所有的损失限制实际的质量流率:通过一个洞入口的压力损失,内部摩擦损失和出口损失。

很多参数可能会影响流量系数(7]:几何,如孔形状、孔角,孔之间的空间,和长度直径比,和流体动态,如压力比整个洞和雷诺兹和马赫数的两个错流和内孔。出于这个原因,一些研究已经进行不同几何形状的孔受到广泛的流体动力学条件;广泛的评论可以在干草和兰帕德(8]Andreini和DaSoghe [9]。Gritsch et al。10)调查的行为一个洞的大直径(10毫米);他们提议的方法相关的排放系数,假设这个洞内压力损失和相关出入境是独立的。内部损失发现依赖于压力比整个洞,而入口和出口损失取决于飞机错流的动量比。记住这些假设,Gritsch et al。11)研究的影响内部错流形状的洞,而Rowbury et al。12)提出了一个方法来量化的外部错流的影响。最近,舒尔茨et al。13)进行了实验,分析的行为在不同的内部和外部的错流条件和几何角度和使用jet-to-cross-flow动量比减少数据。

指的是传热,测量多个喷射撞击数组中可以找到相关的现有的出版物。综合评论这一领域一直由马丁(15和汉族等。16]。最近的一些非常有趣的贡献已经由艾哈迈德和同事(5,6]表现一些在短管流的数值模拟部分ACC系统的低压涡轮。锋利的圆柱形喷嘴的长径比,从来,也占了。作者表明,马赫数的增加同时减少孔直径导致努塞尔特的数量略有减少,平均偏差的。预测排放系数显著增加了增加马赫数。这两个有趣的主要限制方面的贡献在于,作者没有评估的影响undercowl流撞击飞机。

正如上面提到的,很多出版作品处理传热系数由于撞击飞机;他们中的大多数分析,通过实验或数值模拟,几个孔几何图形和安排的行为,但它似乎也缺乏一个完整的真正的发动机ACC几何研究趣味。相似的结论可以指出指冲击孔流量系数预测。事实上,似乎有一种缺乏普遍研究,因此有关的有用的设计相关性对流量系数的影响由于相邻孔钻在圆柱形喂养管之间的相互作用(9]。

因此,佛罗伦萨大学促进了内部研究项目旨在孔流量系数的特性和传热现象的真正的发动机ACC几何学。这个项目的主要目标是提供一个通用的理解流体流动和传热特性,开发有用的的相关性和HTC系数,最后,验证CFD与高质量的实验数据。在项目的框架两个测试平台开发。第一个,旨在评估几个喷射孔的流量系数中钻出一个圆形的管道。测试几何图形复制的最后一部分喂养歧管冲击管用于主动间隙控制系统。通过使用提供的实验数据(见[17])和验证CFD计算,Andreini和DaSoghe9)已经开发出一种经验相关的预测冲击孔流量系数:它表达了每个孔的孔之间的比例的函数和多方面的质量速度和当地价值比率的压力。最近,作者修正这种相关性使其合理的喷嘴长径比(18]。第二个测试平台,旨在评估的传热系数和绝热效率multijet撞击数组(undercowl流被认为是),再现了一个主动间隙控制系统的商用飞机。试验台提供了详细的实验数据,如今,部分可用的开放文学(见[14])。

摘要一个简化的一维代码,佛罗伦萨大学开发的,旨在ACC的多个喷射部分的设计冷却管。这项工作的主要目的是验证内部设计工具,用它的预测,指出这种冷却系统的设计实践。

2。描述的代码

正如上面强调的,简化代码处理的多个喷射部分ACC冷却管。这样的几何图形描绘在图3。

1 d项目的目的是评估质量流量通过每个喷嘴的数组,然后计算相关传热系数HTC在目标表面上实现。的代码,基于相关的方法,实现了两个相关性:第一个喷嘴HTC的另一个评估。在下一节中,提出了实现相关性。在廖内,总压强损失摩擦是被忽视的。然后,静压概要文件由质量流率出血的洞。

3所示。流量系数的相关性

的相关性参数被认为是在这项研究最近由DaSoghe和Andreini [9,18]。表达式的结果是一个广泛的CFD分析:它表达了每个撞击的洞洞之间的比例的函数和多方面的质量速度(MVR)、喷嘴长径比()和当地的价值比率。流量系数是计算使用以下表达式: 在哪里和是二阶多项式函数的长径比和其他系数是合适的常数。

甚至开发指的是圆形截面流形几何图形,DaSoghe和Andreini18]证明了相关可靠性也平方流形几何图形。

适用性的范围是遵循的相关性来,到610⁴,来。对CFD的数据,显示了平均相对误差的相关性和一个最大的错误,标准偏差(例如,的预测当使用导致的相关性低于一个错误对CFD的数据集)。

最后,验证相关舒尔茨和同事提供的实验数据(13]。

进一步提出了相关的细节和相关的验证研究,指Andreini和DaSoghe论文(9,18]。

4所示。传热系数的相关性

宏达电(HTC)用于计算的方法由两个相关过程,认为:一个评估HTC峰值射流驻点,和其他计算HTC值远离停滞的地区。

HTC峰值计算使用以下表达式: 在这一代表了努塞尔特数峰值(即。射流驻点的ν)。这个表达式已经衍生出Florschuetz和同事(19]。相关的适用性的范围如下:来,来,来。远离停滞的地区,当地努塞尔特数评估遵循: 在哪里是努塞尔特数评估(2),代表认为点之间的距离和驻点。

5。1 d程序

内部的代码是由两个不同的模块。第一个由性能代码:对于一个给定的ACC管几何和操作条件(见表1和2),评估系统性能的代码的传热系数分布和HTC平均值在目标表面。

通过一个迭代的过程,代码首先评估等熵通过通用的冲击孔质量流率,使用圣维南方程:

实际的质量流率通过一个通用的数组的洞然后计算使用以下表达式: 在哪里在(1)。一旦评估,代码计算射流传热系数分布。

第二个代码的模块,包括设计过程:从一些几何数据和操作条件(即。,overall pressure ratio), the code determines the nozzles’ diameter in order to obtain a desired level of heat transfer coefficient. In this case the requested geometrical parameters are reported in Table3。

数组的过程从最后一个孔(孔最接近歧管结束描述)的解决。在这种情况下,洞压力比和功能吗因此,可以很容易地估计比例。一旦和等熵质量流量计算,估计黑洞碰撞的代码质量流率,然后相关的意思是HTC。如果HTC强加的不匹配,计算代码假设一个新的孔直径,然后重新计算、等熵质量流率和喷气意味着HTC。重复这些步骤,直到计算意味着宏达匹配所需的值。一旦程序聚合数组的最后一洞,代码开始分析第二个数组的最后一个洞等等。

6。验证的代码

为了评估代码的准确性和可靠性,一维过程的预测与实验和数值比较Facchini等提供的数据。14]和Andreini DaSoghe [9]。两个几何图形(表4)。

比较了两种操作条件(和),提供的压力分布(表示为对应的值的比值一般孔和价值的喂食管),质量流量分裂沿管汇(表示为泛型孔的质量流率的比值和质量流率喂养管的入口)和宏达电(HTC)配置文件。

数据4和5显示压力分布和质量流率跨越的流形几何贴上“几何学1”。

预测与CFD的代码Andreini和DaSoghe[提供的数据9]。如图所示的数据,一维代码也同意CFD对所有的测试操作条件意味着一个可靠的压力和孔质量流率评估。

HTC资料计算数组的内部项目中央喷嘴的相关实验数据比较Facchini et al。14]。提到试验台由在实际发动机几何计算几个ACC导管。undercowl流的存在还占在实验。结果包含在由HTC相比概要文件(图6)。在实验中,传热系数测定的稳态技术,测量壁温度的加热表面,用TLC(热液晶)涂料。最大相对误差下的传热测量。进行进一步的实验过程和结果的详细信息,请参阅Facchini et al。14]。

在图7,宏达电剖面预测的简化过程的几何1与Facchini et al。(14实验数据。

它出现于代码的数据相当不错的协议与实验的HTC概要文件。协议变得更好在考虑HTC平均值(这是关键参数我们看)。可以得出类似的结论也为几何贴上“几何学2”(数据8,9,10)。

一维代码可以被假定为一个可靠的工具,HTC的预测相关的多个喷射部分ACC冷却管。

7所示。性能分析不同的ACC冷却管的几何图形

开发的代码已经被用来评估性能,飞机的意思是HTC概要而言,不同的ACC管几何图形。

7.1。的影响在飞机的意思是HTC概要文件

它出现在图9质量流率跨越一个ACC冷却管主要变量。Andreini和DaSoghe9)指出,质量流率给定撞击系统(即跨越。,当地的MVR)只是管面积比有关的比率定义为多方面的入口区和累积孔出口区, 表达式1表明,(即每个操作条件。,对于每一个比率),流量系数大概是常数时,我们是高于5。我们的一个函数参数,可以设计撞击系统为了保证质量流量通过每个孔都是大致相同的。事实上,假设歧管进气质量流量是均匀分布在撞击黑洞,它遵循 上面的关系时感到满意是恒定在冲击系统,当MVR高于5约。所以可以假设条件: 定义了一个设计规则集合管的均匀分布的撞击质量流率飞机。

几何图形的大于5导致约常数撞击射流质量流率分布,同时,几何图形的特点是低,相关的飞机质量流率的差异预计喂养管。最后这句话证明了趋势如图5和9。几何学的特点是1所以质量流跨越歧管制服。在几何学中2,,撞击射流质量流率变化很大第一个数组的最后一个洞。也期望较低,撞击飞机HTC可能是不均匀的。图11显示飞机的意思是HTC分布获得几何学2时。宏达电的参数_裁判代表平均传热系数计算数组的最后一洞的几何学2时。图显示,HTC的变化从入口到出口的管汇约25。这种变化可能是更高的在考虑高旁通比涡扇发动机。

7.2。歧管截面的影响飞机的意思是HTC概要文件

图12显示了飞机的意思是HTC沿着多方面的不同的值的分布参数。假设相同的整体获得的概要文件比(),同样的喷嘴长径比(),同样的冲击孔直径毫米,喷嘴数量(即相同。,the only parameter that changes is the manifold diameter “”)。

正如上面所讨论的,HTC概要文件是平的增加。更多的细节,下面的宏达电剖面的变化当大于3。获得更好的性能和高将一个更统一的质量流率沿歧管分裂。随着质量流量通过数组的最后一个洞仍然大致相同,总在歧管入口质量流量增加时较高。图13显示了在进口的质量流率不同的喂养管值。的参数代表了廖总质量流量的入口评估几何学2时。

当= 3(即。,当changes in the HTC values along the manifold are below)在歧管入口质量流量的增加,对名义情况,通过。

的增加通过歧管直径””增加,有利于飞机的宏达电剖面一致性的影响。然而,不得不说,随着进料管道直径的增加,冷却系统的尺寸和重量增加。此外,总冷却剂质量流率较高。最后的证据可能有一个边际效应的冷却空气从风机流中提取但代表了一个点球,如果从压缩机冷却剂是流血。

7.3。的影响比飞机上的意思是HTC概要文件

在当前的部分,整体的影响比率分析。的影响比飞机的意思是HTC概要报告如图14。敏感性分析是一致的趣味,喷嘴的直径””已经改变了以保证,为每一个情况下,相同的意思是HTC数组的值在最后洞。歧管直径”“是固定的(毫米)和等于2。因此,作为变化,系统因此不同。

图14显示系统的整体压力比的增加有一个有益影响HTC概要文件。最后这句话可以通过观察的动机比影响等熵质量流率和冲击孔的流量系数(即。,因为增加的比例和结果增强)。为了获得相同的意思是HTC值在数组的最后一个洞,然后减少喷嘴的直径。因此,显著增加的设计压力比增加解释这种趋势如图14。

减少冲击孔的横截面,随着压比的增加,一个非常可观的减少冷却剂的累积质量流率(图15)。

当躺下,宏达电剖面的变化和总冷却剂质量流率是减少了时的情况。

7.4。喷嘴直径分布的影响飞机的意思是HTC概要文件

在前面的部分中,对于每一个被认为是几何,喷嘴的直径是统一从第一个数组的最后一个洞。然而,以减轻的变化喷嘴的质量流率,撞击歧管可以设计考虑不均匀孔的直径分布。然后使用一维代码设计流形几何图形喷嘴直径不同的特征。每个孔的直径决定实施相同的(即意味着宏达价值。,the designed impinging manifold guarantee a uniform HTC level moving from the first to the last nozzle of the array). When considering a manifold diameter毫米,,喷嘴的直径分布在廖一维计算的程序如图16。

第一个喷嘴的直径增加关于最后一个。对于这个流形几何,计算累积冷却剂质量流率大约是高于获得均匀的孔的直径毫米。

图17报告喷嘴的直径分布不同的歧管直径的计算。正如所料,减少冲击孔直径的变化随着喂养管截面是增强。最后的证据也导致总数的减少冷却剂质量流率,对的情况下(例如,毫米),图18。

8。结论

摘要旨在简化的一维代码ACC的多个喷射部分的设计冷却管。一维程序能够评估通过数组的每个喷嘴质量流率,然后计算相关传热系数(HTC)在目标表面。

代码已经通过数值和实验数据进行验证。一旦验证,程序被用来指出一些这样的冷却系统设计实践。

它出现于质量流率的研究跨越一个ACC冷却管可以基本变量。这样,关键参数是管面积比定义为廖入口区域的比例和洞累计出口区。更多的细节,几何图形的大于5导致约常数撞击射流质量流率分布,几何图形的特点是低,相关的飞机质量流率的差异预计喂养管。质量流率的变化跨越一个ACC冷却管导致宏达电剖面不均匀,应避免或减少为一个正确的系统设计。

增加的管道(通过歧管直径)的增加有直接的正面影响HTC剖面一致性。然而,这些解决方案有一些缺点:增加冷却系统的重量和大小。

操作条件的作用在管汇设计已经考虑。计算表明,一旦设计考虑整体压力比高,撞击系统执行,而更好的。这最后的证据已经被激发时观察到压力比的增加导致了增加喷嘴的流量系数和相关的等熵质量流率。因此,当施加总是相同的意思是HTC值数组的最后一洞,的增加比例涉及更高的管道。冷却剂总质量流率也降低了整体的压力比增加。

最后,廖几何与非均匀喷嘴的直径被认为是。为了保证统一的热负荷,大大冲击孔的直径变化在歧管和累积冷却剂质量流率增加。在冷却空气从风机流中提取的情况下,这样的安排可以考虑限制ACC系统的尺寸和重量。

命名法

:	管内部区域()
:	冲击孔区()
:	面积比(−)
:	冷却孔直径(毫米)
:	冷却孔参考(1毫米)直径(毫米)
:	管内部直径(毫米)
:	管内部参考(12毫米)直径(毫米)
:	孔出口目标表面的距离(米)
:	表面导热系数(W /可)
:	管长度(毫米)
:	质量流率(公斤/ s)
:	马赫数(−)
:	努塞尔特数HTCd / k (−)
:	压力(Pa)
:	热通量(W /)
:	气体常数(J / kgK)
:	雷诺数(−)
:	音高(毫米)
:	喷嘴长度(毫米)
:	温度(K)
:	考虑的点之间的距离和驻点(m)。

首字母缩略词

ACC:	主动间隙控制
:	流量系数(−)
宏达电(HTC):	传热系数(W /K)
MV:	质量速度(千克/秒)
解决:	质量速度比(−)。

希腊字母

:	全球压力比(P@manifold入口/ P放电)(−)
:	当地的压力比(−)
:	空气粘度(公斤/ ms)
:	空气密度(公斤/)。

下标

av:	平均价值
亚历山大-伍尔兹:	绝热壁
:	主要通道
:	放电条件
经验值:	实验值
马克斯:	最大值
:	数组的最后一个洞
是:	等熵
:	喷射撞击坑
裁判:	的参考价值
:	静态
:	总
:	墙
:	流向的方向。

承认

作者希望表达他们的感谢f . Maiuolo和l . Tarchi提供实验数据。

引用

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