【doc】气冷涡轮叶栅效率的计算方法

气冷涡轮叶栅效率的计算方法

f一

第10卷

1995年

第1期

1月

航空动力

3ournalo置Aer~pacePower

V0I.10No.1

Jan.1995

气冷涡轮叶栅效率的计算方法

√

喑尔溟二业大学杨弘一王仲奇顾发华冯国泰

詹I【摘要】将气冷涡轮叶栅中的冷气与主流在边界层中的掺混模型和在边界层

外的掺混层中的掺

混模型结台起来,建立了一个预估气净滑轮叶栅效率的计算模型.根据该模型利用

回转面叶栅无粘

流场的计算结果和二维叶面边界层流动的计算结果来预估气冷涡轮叶栅的效率.

该算法为气玲涡

轮叶栅的优化气动设计提供了一个计算手段

主题词:效率塑掺混模型梳搴毋机,娩rrr柑,

分娄号:—231.3

1计算模型与计算方法

1.1计算模型与计算方法

针对高温气冷涡轮叶栅内的复杂流动,综合考虑了"掺混层"_l的概念和边界层内

粘性流

动的影响.假定从叶片表面喷射出的冷气中的一部分混入到边界层中并与边界层

中的流体进

行掺混,另一部分冷气穿透边界层后与主流在边界层外的掺混层中进行掺混}假

定气冷涡轮叶

栅中的流动损失是由考虑冷气影响的边界层内粘性流动的损失与各种掺混(即掺}

昆层中的掺

混和掺混层与主流及尾缘喷射冷气间的掺混)造成的损失的叠加通过掺混层,边界

层及叶片

尾缘处的掺混来计算流动的总损失.

1.2计算方法

利用回转面叶栅无粘流场和叶面边界屠流动的计算结果,按以下两个步骤来计算

气冷涡

轮叶栅中的流动损失和叶栅效率. 满清10大酷刑

1.2.1叶面边界层和尾缘喷射冷气引起的损失计算

考虑冷气影响的边界层计算可以得到边界层的排挤厚度,动量损失厚度和焓损失

厚度

等参数.假设边界层,尾缘喷射的冷气与主流在叶栅尾缘额线后的某处(设为"m"计

算站)掺混

均匀在图1所示的控制体上分别应用质量守恒,动量守恒和能量守恒定律来列方

程:

rc

l'XLd+l.(Xcosy/cos~)l出+l.(XcosyP/cos.).du+G一(1)J-J0d

rd+r(Ycos2-~./COS2a)d+r(rCC6ZFF/'c0s2)ld+f^d+c0s一('+)JIJuJudu

(2)

994年1月收到199d年月收到修改稿.本文系国家自然科学基金资助项目

t*暗尔滨工虹戈学动力工程系241教研室150001

讹I接

I边界f,尾缘唢冷气与沲的搭混H算

rZtd+'(zsin2/sin2).d"+r(Zsin27,/sin2)Ld+nsIn一f(3)J一J0√0

rdⅡ一r'(Ecos~/Jc0s)d1_r(Ec.s/村党支部工作计划 )Ld+((Tg)一Ff(4)J一J0Ju

式中.X—pcos8,,r=p~~hcos.,z=0.5户sin2,—pu'kC~Tftoga,d—d~cost,!:t--/cos?

—

d/c0s—d/cos~F标"l"和"m分别表示叶片尾缘额线处计算站和m计算站.F标和

分别表示叶片吸力面和压力面,下标表示叶片尾缘,上标*表示冷气参数,为叶片尾

缘处

的叶面型线与轴向的夹角.雎是叶片尾缘冷气喷射方向与轴向的夹角,为叶片尾缘

处叶面上

的边界层厚度,是总温.是叶片尾缘喷射的冷气流量,^为流片厚度四字成语寓言故事 可由(1)～(4)式联

立

解出m站处气流速度:

一

f2‰?TD/[(‰+11?TA]}"(5)

而

.:+.],h一TC[(+1)/(2u月?TA?TD)J

.

一

[2.(+1)?TA?TD]‰?TB一[(?TB)

一

2‰(‰+1)R?TA?TD+(砖一1)?TC]}

TA—ff1/,J0,,

一[yd+()d一()^cosd脚一(p)ip~ht~0sT噼c.s,J/

—

』一(户)ktsin一(.)ktsin+瞄;sinj

TI)一flLd"一(pw)矗l一(,【)lld』+(C;T)]/(^)

TA,TB,TC,D箅式中的积分可按华南师范大学录取分数线 无粘流的计算结果通过数值积分方法求得,其中

d…和

,"分别是叶片尾缘处吸力面,压力面上边界层的动量损失厚度和焓损失厚度.下标

"l.."

和"lp.."分别表示叶片尾缘处吸力面和压力面上边界层的外缘.

叶面逝界层和尾缘喷射冷气等因素所引起的能量损失系数可表示为:

一

l一(G+)/[f(p.s")d:(.)](

瓤Ij不二法门 睁粕叫栅效率的汁算洼

式中r是叶栅出口处流量,G—lx—dm:是尾缘喷射冷气在m站处的等熵速度:Jq

1.2.2掺混层引起的损失计算

掺混层的确定方法是:在给定掺混ryzen7 层九大神兽 在叶栅进口计算站上的厚度(文献[1指出掺慢

层的

厚度对叶栅效率的计算影响不大)后.由掺混层在该计算站处的外边界点引出流线.

这条流线

就是掺混层的外边界线在掺混层中进行掺混计.时,本文使用定静压掺混模型,即

假定穆混

前后的静压保持不变.在这个假定下,可以使用质

量,动量和能量守恒定律来遥计算站求出掺混层

中混合气体的气动参数,直至确定在叶栅出口处

的掺混层内气体的平均流速.

通过掺混层与掺混层外的主流在叶栅尾缘额

线处(如图2所示,即"l"站)的掺混计算来估算掺

混层造成的能量损失.假定这个掺混在m站处达

到均匀程度.假设叶片吸力面和压力面上的掺混

层在叶栅出口处的厚度数学活动 分别为1和一I.速度分别

为…和….下标"SML"和"PML"分别表示叶

栅出口处吸力面和压力面上的掺混层.并且还假

设出口静压一和气流角.不受掺混的影响.对图

2中的"f站"和"m站之间的控制体应用质量,动

量和能量守恒定律.可得到类似于(1)～(4)式的

41,方程(只需令(1)～(4)式中的.一J,n一一

1A.%-一』.一0即可),再加上气体状态方程

1'

I

I

,

剧2掺混层与主流在叶栅出口处的棒馄计算

捷

及总温和静温之间的关系式共6个方程,可以确定掺混后m站处的气流速度.

获得m站处的气动参数后则可以确定掺混层引起的能量损失系数:

-一1～(G+.)/[(P.^c0s)一+((.)](7)

式中G是进入掺混层中的冷气总流量,一是掺混层中的冷气在m站处的平均等熵

速度最

后得到综合考虑粘性和冷气掺混影响的总的能量损失系数:一'一+'t,叶栅效率:—l

一.

2算例与分析

应用上述方法对某一发散式冷却涡轮的静叶栅【..的效率进行了估算.文献E42给

出r该叶

栅的几何尺寸在文献E33关于该叶栅的实验中,冷气的温度与叶栅进口主流的温

度相同.叶栅

进【]总压一】.0l59X1ON/m.,总温一303K,出口平均半径处的静压一0.64p计算中

给定冷气总压=I.O3.并根据大部分冷气穿透边界层进入掺混层的实验观测结果

而假

定从叶面喷射的冷气有40%混入到边界层中,其余60%冷气进入到掺混层中.

本文对于不同的冷气流量和不同的冷气喷射角4(叶面处冷气的流动方向与轴向

的夹角)

分别计算了叶栅的效率,并与文献E3]的实测的效率(其定义是混合气体的实际动

能与主流

和冷气的理想动能之和的比值)进行了对比,如图3所示图中的实线是假定叶片吸

力面和压

力面上的均为O.角而得到的计算结果.由图可见本文的计算结果与实验值在变化

趋势上

是一致的造成青之间偏差的原因一方面是由于本文的计算是在回转面叶栅无粘

流场计

9.95

090

0.a5

斌mh哔报

O0OmO'

图3叶栅效率随冷气音}【量的变化

0?,G

圉叶栅技率的数值试验曲线

罄

和二维叶面边界层计算基础上进行的,它不能完全反映出流场的三维粘性效应;另

一方面是由

于本文在计算中所做的一些假设和简化导致了与真实流动情况有所fyi翻译 差别,图3说

明了本文的

算法是可行的和合理的.图4示出了在不同冷气量下m角对叶栅效率的影响.吸力

面上分

别为10.,30.和50.,压力面上%均为10.可见叶面上的冷气喷射角对叶栅效率的影

响很大,

对于某一冷气流量应有最佳∞角.随着冷气流量的增加,冷气的影响越来越大.吸

力面上一

50.时喷射的冷却气流在叶栅出口附近接近轴向,这对于出口轴向速度较低的主流

会产生积极

的影响,因而其掺混层与主流间的掺混损失也就较小.

3结论

(1)本文建立了一个能够基本反映实际流动情况的计算模型,在此基础上提出了一

种气冷

涡轮叶橱效率的计算方法.计算实例证实了这个算法是合理的和可行的.(2)本文

的计算结果

显示出气冷涡轮叶栅效率与诸多因素有关,可以进行优化计算本文的计算方法可

以为气冷涡

轮叶栅的优化设计提供一个计算手段.

参考文献

IH且

tionofEffectsofMTxansfexCoolJngtheBlad~RowEfficiency0rTurbineAirf

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1972

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气动热力学学术台议论文集一

No.93203.19

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(责任编辑杨再荣)