验证内冷却气体涡轮叶片的热模型

文摘

冷却涡轮叶片温度场的数值模拟是一个必需的元素的燃气涡轮发动机设计过程。验证通常测试结果的基础上进行的全尺寸原型叶片气动试验台。量热法测量熔融金属中恒温器冷却叶片的热模型的验证,提出了。热通量的方法允许获得当地的值在每个叶片表面的点在一个实验。局部传热系数的测定误差使用这种方法对径向叶片通道不超过8%。方法的一个重要特征是,热负荷保持不变在实验和叶片外表面温度等于锌的熔点。热工水力学模型的验证的高压涡轮叶片冷却允许不对称热量除去压力和吸力面使用开发的方法进行。传热系数的分析证实了高水平的传热前缘,其价值与射流冲击传热可比。的最大传热系数从前缘的临界点转向一边的压力。

1。介绍

燃气涡轮发动机使用寿命主要由高压涡轮叶片的寿命1]。建立叶片与有效的冷却系统是一个复杂和劳动密集型的过程。它包括选择和冷却回路的设计及其优化;气动、热、强度计算;实验研究;生产技术的发展;和评估的可靠性2- - - - - -4]。

液压和冷却通道提供的热模型边界条件的确定,从侧面的气体和冷却空气的目的用于操作期间计算叶片的热状态。液压的充分性和热冷却通道的模型,基于紊流器和液压阻力路径的值在标准的计算依赖通道壁的传热冷却空气,影响结果的准确性。可能不足的热力和水力模型制造叶片全尺寸原型与液压阻力的值和标准方程用于设计通常从模型常数截面的大小大于真正的叶片通道而造型条件显著不同于全面的(5- - - - - -8]。几乎没有数据的计算传热通道连接,过渡地区,和分岔。所有上述降低叶片温度场的计算的准确性,因此安全系数。

叶片温度场的造型的同时解决单个包的气体和冷却剂流动和传热问题的共轭换热条件在墙上是一个最新的设计方法。然而,结果的准确性(和他们的匹配实验数据)很大程度上取决于选择湍流模型,三维造型方法和网格密度(9- - - - - -11]。

图1演示了一个示例计算和温度测量值的比较结果研究了叶片的中间部分,得到,而选择最准确的计算模型。在特定地区,差异是40°C,而气体温度上游叶片级联614°C (12]。

应当由热力和水力模型的验证测试叶片全尺寸原型制造一批使用失蜡铸造过程(13- - - - - -15]。热力和水力参数计算值的基本差异决定在测试期间需要校正的设计和技术文档,修改模具,甚至生产紧迫的一个新的陶瓷芯空心叶片的铸造(16,17]。这导致大量额外成本和增加冷却叶片的发展所需的时间以及发动机作为一个整体。

再造工程过程中燃气轮机热节,娱乐的问题冷却叶片的热力和水力模型计算其热态时的目的(18- - - - - -20.]。

至于叶片通过对流冷却,量热法测量熔融金属温控器可以帮助解决的问题验证涡轮叶片冷却系统的热力和水力模型(21]。

本文致力于内部热模型的验证方法的发展燃气轮机叶片冷却。

2。量热法测量熔融金属的恒温器

量热法测量熔融金属的恒温器允许获得当地的热流值在每个点的叶片表面实验(22]。化学纯金属的相变的影响量热方法的物理基础。该方法所得如下。刀片配备集合管冷却空气的供应和提取淹没到融化的纯锌加热对其熔点。叶片应加热到融化的温度,然后随着冷却下来的平衡态锌熔点和下面的冷却空气在一个特定的一段时间。后的叶片应当融化(图2)。金属涂层形成过程中传热与冷却剂通过叶片的内部路径在其外表面结晶。

锌融化实验通常是在大范围的压力下降= ,以下参数测量:通过叶片空气消耗量;传入和传出的空气温度。在一系列的实验中,锌层的研究叶片应加权评估所需的实验的质量对收敛的热量平衡。热量平衡是定义如下: 在哪里通过叶片代表空气消耗量;代表空气的热容;代表温度的空气传入的叶片;代表从叶片温度的空气外向;代表大衣质量;代表吹时间;代表锌结晶热。

如果实验是高质量的,那么热量从叶片中删除的值的差异是通过测量获得的镀锌层质量和热电偶迹象不应超过5%。

热量平衡收敛后的检查、外套,应当标明和削减对部分接受研究。通常这些建设性的横截面叶片部分匹配。镀锌层图像放大的8到10倍,应当通过扫描获得的。放大图像的使用可以改善涂层厚度测量的准确性至关重要。

每一个计算点的热通量定义如下: 在哪里代表叶片外表面半径;代表涂层厚度;= 0.1毫米代表拖的厚度金属层形成在叶片的融化;代表了镀锌层的密度;“-”符号是用来点的凹面上刀片。

为了确定当地的散热系数的值空气,人应当知道冷却空气的温度 。 值计算对冷却剂的分布在内部通道测试条件的恒温器,为了解决热平衡方程为特定领域的叶片表面的热流值的确定。

当地的传热系数定义如下: 在哪里代表认为几何形状系数不同叶片壁和平坦的薄壁;是锌的熔点。

的和标准计算每个点的叶片表面;然后他们应当近似使用最小二乘方法由以下附件:

局部传热系数的测定误差由热通量的测定误差和局部冷却空气的温度。热通量测定的相对误差定义如下: 在哪里代表了地壳厚度测定的相对误差;代表了测定的相对误差的叶片表面曲率半径;δτ_我代表吹时间测定的相对误差;代表指定的潜在价值的相对误差锌结晶;代表设置热通量的相对误差。

如果我们假设的值和指定精度高,相对误差δ问_我不超过±5%。

当地传热系数的测定误差的误差分布的确定主要取决于气流通过冷却通道和,因此,当地空气加热和温度 。的价值是由叶片冷却路径的复杂性。

局部传热系数的测定误差通常不超过±8%的叶片径向通道。方法的一个重要特性是进行所有的测试在同样的外部热负荷和叶片外表面温度=锌熔点= 692.4 K。

3所示。设施实施量热法测量熔融金属的恒温器

尽管建设性和布局方案,测试设备的冷却叶片金属熔液恒温器应当包括下列元素(图3):空气净化系统和供应;一个工作区域连接研究的对象;热量测量系统组成的坩埚熔化锌和烤箱的加热和熔化;旋转升降机制排出烤箱的坩埚,移动刀片,允许把叶片进入融化,;一个系统的空气消耗控制和测量和记录实验数据。

可以使用各种设施布局基本上不同于另一个测试过程的机械化程度。这些建设性的差异取决于数量的研究,检测叶片的设计,其维度,分配从叶片的空气喷射孔,和实验模式,冷却空气的压力,需要创建叶片的反压力输出。

恒温器是锌的坩埚熔化的横截面是椭圆形的。高碳钢的坩埚应;其内部表面应涂上一层薄薄的陶瓷涂层,防止坩埚的接触表面的融化。维度的坩埚和锌的质量由质量和尺寸的叶片配备集合管冷却空气的供应和提取。控制面板允许操纵旋转升降机构和冷却空气供应系统,在手动和自动模式下根据信号,定时器,并记录实验数据。

工作区域连接叶片空气供应电源和一个建设性的单位,包括叶片原型研究。工作区域设计应当特别为每个系列的叶片和开发是由测试任务。的工作区域不得影响叶片的热态测试期间,应提供给定参数的冷却空气,应当符合以下要求。工作区域应提供以下:吹的叶片冷却能力虽然浸入锌融化,冷却液喷射到大气和反压力;最低热量除去叶片的工作区域;缺乏大规模的元素连接的目的减少热累积单位的能力。

图4演示实验测试台。主要测量设备的描述提出了表1。

4所示。叶片热模型验证技术

量热法测量熔融金属的恒温器可以有效地用于实验验证叶片内部冷却的热模型。

热模型须经由比较热通量的分布外表面,这是根据计算验证热模型试验条件,和热通量的分布 ,这是确定的熔融金属恒温器的实验结果。比较热的热量流动应当考虑所有参数模型,确定叶片的热状态下的操作条件:空气消耗和温度等效液压的分支网络,传热系数的冷却剂,叶片壁形状系数。

而计算热流在模拟条件下的熔融金属温控器,下列第一类边界条件设置:表面温度等于锌熔点692.4 K;下列第三类边界条件设置冷却通道:表面的冷却空气的温度并从叶片壁传热系数的冷却空气通过使用验证液压模型条件下的叶片叶片测试在熔融金属温控器。计算的结果是叶片截面的二维温度场和热流值点的外表面。

为了做出决定关于热模型的充分性,依赖允许评估发现差异的影响和叶片的热状态是必需的。为此,使用无量纲相对温度(叶片冷却强度)建议: 在哪里代表热气体温度。

以下比例对叶片表面的每一个点是有效的: 在哪里代表了一个无量纲温度的结果计算得到叶片表面使用热模型验证;代表了一个无量纲温度叶片表面获得实验的结果在熔融金属温控器;代表冷却空气的传热系数应用于热模型验证;代表了一种计算冷却空气传热系数的基础上,实验的结果。

实验值和计算空气消耗量一致,比是有效的: 在哪里代表空气导热系数应用于热模型验证;代表空气导热系数计算的基础上的实验结果;代表粘度的空气热模型中的应用验证;代表空气粘度计算的基础上的实验结果;代表一个指数的标准方程的计算 。

指数依赖关系是用来计算热导率的变化和空气的粘度 :

对于特定的值指数的雷诺数米= 0.6 - -0.8,从(9),我们应当取得

如果 的1.5倍,那么不同的温度导致的差异/= 1.013。使用(7)和假设叶片的容许偏差为特定区域 ,一个宽容的变化和定义如下:

如果获得的参数值 ≤ ,然后内部换热的热模型描述了过程适当的叶片的一部分。

的比较和建议几个测试模式下,由于各种压力下降。的 价值取决于实际上不应该改变 压降。在这种情况下热模型的主要错误则依赖与价值系数的数量。如果实验的比较和计算热量流动 ,获得了各种压力下降,使相同的值在考虑地区差异,可以得出这样的结论使用标准的依赖关系的指数=对应于冷却空气流的性质。

在这种情况下,则依赖热传热的计算模型可以更精确地定义冷却空气的使用校正因子:

然后修改后的值在标准方程等于

操作各种模式的冷却系统对压力下降证明的本质区别 ,一个人可以假设的价值指数的标准方程在本节的热模型不同于接受。通常的流,停滞区流融合点,飞机,和旋风冷却可以通过这些部分23- - - - - -26]。

在这种情况下,叶片测试的结果在熔融金属温控器用于局部传热系数的计算和推导的判据方程为目的的热模型的精化。

5。验证技术认可

热模型的开发技术申请验证高压涡轮叶片的固定燃气轮机单位。叶片有一个空气分布管冷却系统的弹射空气涡轮的流量范围通过退出边缘的缝隙和叶片的端墙的洞。图5演示了一个纵向的内部空间的中间的叶片和截面3整个叶片长度。离心流冷却空气在管道D1-D6意识到。

图6表明叶片的内部通道被建模为一个等价的液压网络。输入节点数20和89年输出节点。压差的冷却路径模型通过设置压力在这些节点。计算使用的程序进行“Gidra,”由Baranov中央航空发动机研究所。

压力差的计算进行了相应的实验条件。模型的壁温设定等于锌的结晶温度。通道的空气加热热量平衡方程的确定每个通道的冷却路径:

冷却空气流经叶片内部通道的测量在等温条件下:墙温度等于空气温度。实验和计算消费特征之间的差异不超过3%。因此,叶片的水力模型是足够了。

测试:叶片的细化,以减少热惯性锁被擦伤。抽气的收藏家是由管直径20毫米,焊接高温焊料在真空炉。准备的叶片的照片显示在图7。测量空气的温度在进口和出口处标在第三节中,热电偶安装。

冷却空气温度的值,叶片进口压力和冷却气流被记录在全国乐器工业计算机的硬盘。记录分辨率等于0.1秒。温度测量的准确性是±1°。空气流量测量的准确度±0.1 g / s。

比较实验和计算值之间的空气出口温度后缘表明差异不超过9%。这使我们能够得出这样的结论:热模型准确地计算总加热空气的通道。因此,叶片的热模型可以准确计算总空气加热通道。

锌的叶片被融化的压力下降 = 1.48,1.68,1.78,1.97和2.37。代表了冷却系统入口压力,代表了大气。为每个工作模式进行了三个实验。每个热法(锌壳)期间获得测试检查了热平衡(见(1))。

图8演示了镀锌层的照片(背面)获得的压降 = 1.68。涂层的厚度明确表示换热强度。

外套的定性分析表明沿叶片管流区。叶片边缘,背后的障碍形成的管流变成退出边缘,突然减少观察涂层厚度。它允许假设有一个停滞区后面的障碍导致换热强度的降低。

外套被切断在计算部分使用电腐蚀的方法。部分已被20倍放大的图像和标有1毫米一步外表面。镀锌层的厚度测量。涂层厚度测量的绝对误差不超过0.01毫米。涂层厚度的测量值被实验的平均值。获得的平均价值用于计算沿叶片外表面热通量。

图形沿着外表面热通量分布的五个部分根据压降被吸引;压降图 = 1.68图所示9。

从背面热量流动大的1.8 - -2.0倍。在出口处从背面边缘,问更大的10 - 20%。在部分1、2和3的减少热量流动从根周围的部分是在径向导管。它与空气的加热管的长度和其温度的增加。在部分4和5节长度后突然减少热量流动从压力面和= 15毫米l= -26毫米从背面。

热量流动的局部最小值(问= 90 - 100千瓦/ m²)位于从点的背面= -36毫米,从压力面l= 26毫米。局部最小值点的热流减少2.5 - 4倍相比,类似的部分1、2和3。两个气流朝着相反的方向在这个区域的内部空间,形成一个停滞区。停滞区可以缩小在旋转,由于离心力的作用[27- - - - - -31日]。

为了验证叶片的热模型,热通量的分布在五个部分叶片长度的1.48和1.97两个压降值计算使用特殊软件开发。这个程序允许计算在指定点上的叶片外表面和提供中型计算网格的快速制定和解决方案(约1000 - 1500网格节点)。它解决了二维稳定和非稳定态热传导方程。下面的导热过程的数学公式中使用计划:(我)成平行面的稳定流动: (2)成平行面的非定常流: 在哪里λ代表热导率;代表温度;问代表的热源/下沉。

作为一个例子,计算网格的部分表示在图10 ()。节点的数量等于1400。温度场计算部分的试验条件下锌熔压降1.97显示在图10 (b)。计算得到的热流值一直在熔融金属的实验结果相比,恒温器 。

图11展示了热通量的分布和热通量在中间部分模型的两个值的压降等于1.48和1.97。

每一个点的表面上看,宽松的变异决定是基于假定的宽容手术期间叶片表面温度的变化等于±10 K。的使用允许确定区域热模型和实验结果的差异。这些区域是前缘和导管D5-D8(压力面和背面)。

的比较 两个压力下降(图所获取的参数11)显示,所有部分的差异不超过5%。它允许认为指数在接受等于标准方程的热模型米= 0.8正确描述管道中热量交换的特异性。

作为 在特定领域的叶片,热模型的精化使用依赖项(11)和(12根据开发的技术执行)。

6。结论

热模型的实验方法验证的叶片内部冷却对流比较的基础上获得的热通量数值模拟和试验研究熔融金属的恒温器。局部传热系数的测定误差使用这种方法对径向叶片通道不超过8%。方法的一个重要特征是,热负荷保持不变在实验和叶片外表面温度等于锌熔点- 692.4 K。这一实验方法允许消除传热结果精度的影响。

估计的相关性计算和实验的热流值影响相对深度的操作条件下叶片冷却。

热工水力学模型的验证的高压涡轮叶片冷却允许不对称热量除去压力和吸力面使用开发的方法进行。领域的叶片需要更准确的确定了热模型。

分析外部叶片表面的热通量分布可以确定更密集的冷却压力方面由于传热紊流器使用。外套的定性分析允许识别的位置较低的传热面积。它座落在背后的外围叶片部分将肋(部分4和5)和与停滞的形成区。

传热系数的分析证实了高水平的传热前缘,其价值与射流冲击传热可比。的最大传热系数从前缘的临界点转向一边的压力。强化高径向传热的渠道是发现和压力方面高出1.5 - 2倍。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究由莫斯科电力工程学院已经被俄罗斯联邦赞助财务通过俄罗斯联邦教育部和科学在补贴协议下不。14.577.21.0210 2016年9月28日,作为联邦的一部分研发有针对性的规划优先发展的领域俄罗斯2014 - 2020年科技复杂RFMEFI57716X0210以应用科学研究独特的标识符。

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