过渡过程旋转盘腔流热固耦合机理研究

bb20920d · 发表于 2022-4-28 15:03:53

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过渡过程中，盘腔系统边界参量不断变化是导致涡轮盘失效的重要因素，因此涡轮盘安全性分析要求准确获得涡轮盘在过渡过程中的温度场和应力应变场。由于盘腔中的流动与换热直接影响轮盘的温度分布，进而影响转盘应力分布，因此本文将盘腔的流动与换热和轮盘应力结合起来，从边界参量变化对其影响的角度进行研究。本文以高位进气实心盘转静系旋转盘腔为研究对象，对描述过渡过程盘腔流动与换热及转盘应力的流热固耦合方程组及定解条件进行无量纲化，在得到准则系统的基础上，采用单向流固耦合的数值方法，分别对过渡过程边界参量——转速、进气流量、盘缘加热量的变化对盘腔的流动和换热及转盘应力的影响展开研究，具体研究了加速过程、进气流量线性增大过程和盘缘加热量线性增大过程，同时选取过渡过程中一些工况点进行单点稳态计算，对比分析过渡过程计算和稳态计算的差异。计算结果表明：（1）加速过程，流阻损失减小，盘面平均努赛尔数增大，转盘最大等效合成应力先减小后增大；（2）进气流量增大过程，流阻损失增大，盘面平均努赛尔数增大，转盘最大等效合成应力基本不变；（3）盘缘加热量增大过程，流阻损失不变，盘面平均努赛尔数缓慢增大，转盘最大等效热应力增大但最大等效合成应力不变。另外，从过渡过程和稳态计算的对比看，两者在盘腔流场的大尺度涡系结构和流阻损失上基本一致，反映了过程中盘腔流场大尺度涡系结构、流阻损失是随边界参量同步变化的，反映其瞬时性；两者的盘面努赛尔数、转盘温度及应力在分布趋势和变化规律上基本相同，但在数值上存在较大差异，具体表现为：加速过程、进气流量增大过程，盘面温度始终高于相应稳态计算值，而盘缘加热量增大过程则相反，反映了热响应的滞后性；正是热响应的滞后性导致两者在转盘应力上存在重大差异。这将对转盘强度分析和寿命预测产生重大影响，设计中应该充分考虑过渡过程中转盘温度和应力的变化规律及大小，才能进一步保证满足适航的安全性要求。

过渡过程旋转盘腔流热固耦合机理研究

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