一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法技术

本申请提供了一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，所述方法包括：对转静子系涡轮盘的进出口边界条件进行计算流体力学仿真，获得涡轮盘腔内部流动核心区域的旋流比；构建考虑旋流比的对流换热系数修正关系式，根据所述对流换热系数修正关系式得到对流系数；构建考虑旋流比的换热温度关系式，根据所述换热温度关系式得到换热温度；根据对流换热系数和换热温度，通过有限元计算工具求解得到动盘的实体温度。本申请中通过考虑旋流比而给出更加精确的换热系数修正公式，以及结合转静系涡轮盘腔固有流动特点，完善风阻温升的计算方法，提升换热温度计算准确度，通过两者的有效组合，提升涡轮盘热分析综合计算精度。提升涡轮盘热分析综合计算精度。提升涡轮盘热分析综合计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法


[0001]本申请涉及航空发动机
，特别涉及一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法。

技术介绍

[0002]航空发动机传热学是一门半经验半理论的学科，重要结构件的温度计算准确度很大程度上依赖于换热边界的计算方法。涡轮盘温度场对涡轮盘的强度、寿命和变形有着重要影响，直接关系到航空发动机的性能和可靠性，对涡轮盘温度场开展准确的换热边界计算具有重要意义。换热边界包括换热系数和换热温度，根据确定的换热系数和换热温度，配合固体导热方程，即可较为准确的求解涡轮盘的稳态、瞬态温度场。
[0003]目前，用于计算涡轮盘温度场的换热边界处理方式比较简单，换热系数以自由盘经验公式为主，在其处理过程中没有考虑内部流场结构的影响；换热温度以绝对总温为主。通过空气系统的前期计算得到涡轮转静盘腔的腔温、腔压和流量。根据以上参数，辅以转速、几何尺寸等必要信息，就可以计算得到换热系数必需的无量纲数。而换热温度则在上游腔温的基础上，通过增加风阻温升计算得出，但在风阻温升的计算过程中，忽略了转静系盘腔固有特点的客观影响。最终造成换热边界综合计算精度不高，难以匹配发动机日益苛刻的高精度计算需求。

技术实现思路

[0004]本申请的目的是提供了一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，以解决或减轻
技术介绍
中的至少一个问题。
[0005]本申请的技术方案是：一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，所述方法包括：
[0006]对转静子系涡轮盘的进出口边界条件进行计算流体力学仿真，获得涡轮盘腔内部流动核心区域的旋流比；
[0007]构建考虑旋流比的对流换热系数修正关系式，根据所述对流换热系数修正关系式得到对流系数；
[0008]构建考虑旋流比的换热温度关系式，根据所述换热温度关系式得到换热温度；
[0009]根据对流换热系数和换热温度，通过有限元计算工具求解得到动盘的实体温度。
[0010]进一步的所述对流换热系数关系为：
[0011]式中，Nu为无量纲参数，Nu＝0.0217Re
ω0.8
；
[0012]Re
w
为无量纲参数，
[0013]λ为导热系数；
[0014]r为动盘半径；
[0015]β为旋流比；
[0016]ω为转盘转速
[0017]μ为动力粘性系数。
[0018]进一步的，考虑旋流比的换热温度关系式为：
[0019][0020]式中，T
腔*
为绝对总温；
[0021]Cp为定压比热。
[0022]进一步的，绝对总温T
腔*
＝W/(2*Cp*m)+T
in*
[0023]式中，W为风阻功率，M为风阻力矩，
[0024]C
M
为扭矩系数，C
M
＝0.491(log
10 Re)
‑
2.58
[0025]m为流量；
[0026]T
in*
为进口总温。
[0027]本申请中提出的转静系涡轮盘腔换热边界修正方法考虑了转静系内部流场结构对转静系盘腔的换热影响，给出更准确的换热系数修正公式，通过结合转静系涡轮盘腔固有流动特点，完善风阻温升的计算方法，提升换热温度计算准确度。通过以上二者手段的有效组合，提升涡轮盘热分析综合计算精度。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0029]图1为本申请的转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法流程图。
[0030]图2为本申请一实施例中的典型转静盘流路示意图。
具体实施方式
[0031]为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0032]为了得到准确的涡轮盘腔换热边界，本申请中提出了一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，该方法通过考虑转静系内部流场结构对转静系盘腔的换热影响，给出更准确的换热系数修正公式；通过结合转静系涡轮盘腔固有流动特点，完善风阻温升的计算方法，提升换热温度计算准确度。通过以上二者手段的有效组合，提升涡轮盘热分析综合计算精度。
[0033]如图1所示，本申请提供的应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法包括如下步骤：
[0034]步骤一、对转静子系涡轮盘腔的进出口边界条件，开展计算流体力学(CFD)仿真，获得盘腔内部流动核心区的旋流比β。
[0035]步骤二、求解对流换热系数h，具体包括：
[0036]2.1)构建第一无量纲参数Re
w
，根据盘腔气流参数，同时结合盘腔内部旋流的影响，得到第一无量纲参数
[0037]式中，ρ为密度；
[0038]β为旋流比，其中，u为气流周向线速度；
[0039]ω为转盘转速；
[0040]r为转盘半径；
[0041]μ为动力粘性系数；
[0042]2.2)根据自由盘换热经验关联式得到第二无量纲参数Nu＝0.0217Re
ω0.8
；
[0043]2.3)根据第二无量纲参数Nu与对流换热系数h的关系，得到对流换热系数式中，λ为导热系数。
[0044]步骤三、求解换热温度T
f
，具体过程包括：
[0045]3.1)根据自由盘风阻扭矩经验关联式计算得到扭矩系数C
M
：
[0046]C
M
＝0.491(log
10 Re)
‑
2.58
；
[0047]3.2)根据风阻扭矩公式反推得到风阻力矩M及对应的风阻功率W，反推过程考虑有旋流对风阻扭矩的定量影响：
[0048][0049][0050]3.3)将风阻功率W转化为风阻温升，并计算得出盘腔内部气流的绝对总温T
腔*
＝W/(2*Cp*m)+T
in*
[0051]式中，m为流量；
[0052]T
in*
为进口总温；
[0053]3.4)将盘腔内部气流的绝对总温转化为相对总温，将气流相对总温作为转盘的换热温度：
[0054][0055]式中，T
f
为换热温度；
[0056]T
rel*
为相对总温；
[0057]Cp为定压比热；
[0058]步骤四、根据对流换热系数h和换热温度T
f
，通过有限元计算工具即可求解出动盘的实体温度。
[0059]本申请中提出的转静系涡轮盘腔换热边界修正方法考虑了转静系内部流场结构对转静系盘腔的换热影响，给出更准确的换热系数修正公式，通过结合转静系涡轮盘腔固有流动特点，完善风阻温升的计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，其特征在于，所述方法包括：对转静子系涡轮盘的进出口边界条件进行计算流体力学仿真，获得涡轮盘腔内部流动核心区域的旋流比；构建考虑旋流比的对流换热系数修正关系式，根据所述对流换热系数修正关系式得到对流系数；构建考虑旋流比的换热温度关系式，根据所述换热温度关系式得到换热温度；根据对流换热系数和换热温度，通过有限元计算工具求解得到动盘的实体温度。2.如权利要求1所述的应用于转静系涡轮盘腔的换热边界修正方法，其特征在于，所述对流换热系数关系为：式中，Nu为无量纲参数，Nu＝0.0217Re
ω0.8
；Re
w
为无量纲参数，λ为导热系数；r为动盘半径；β为旋流比；ω为转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宗超，李毅，赵宇新，杨定谋，冯博洋，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：