燃气轮机空气系统动-静旋转腔压增及风阻温升的一维计算方法研究

发布时间：2021-06-30 22:54

　　针对燃气轮机动-静旋转盘腔流动特性进行研究,采用压力修正方法求解动量方程,加入基于盘面摩擦系数的角动量守恒方程求解旋流系数,提出了基于当地流动参数C_qr=0.1的盘腔流态判断方法,采用考虑摩擦力矩做功的能量守恒方程来模拟温升,从而建立了盘腔流动的一维高精度方法。最后通过与三维CFD计算分析对比了文献[14]、文献[12]两种摩擦系数计算模型对流动及温升模拟的影响。研究表明:采用C_qr=0.1盘腔流态判定准则的一维计算结果与CFD结果吻合,流态分界位置基本一致;PAP模型计算的压增与CFD吻合较好,差异在5%,文献[12]在低转速条件下最大差异在20%;文献[14]计算的风阻温升与CFD吻合较好,差异在2%,而文献[12]模型差异在15%左右,故采用文献[14]模型可有效提高盘腔模拟的精度。 

【文章来源】：热能动力工程. 2020,35(05)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

计算模型及网格

通过图4(a)的平面流线可以看出,旋转盘腔内出现了明显的沿径向的二次流动,在入口段,流线分布较均匀,该区域为源区,呈现Stewartson的流动特点,旋流系数为零,随着半径的增大,出现了以Batchelor流动为特征的核心区,旋流系数逐渐增大,核心区蔓延至出口。从图4(b)压力分布云图可以看出压力与半径成正比的关系,且压力梯度随半径增大逐渐增大。从图4(c)的温度云图可以看出,温度也呈现随半径增大逐渐升高的趋势,左侧动盘面的温度低于右侧静盘面的温度,这是由于入口段的冷却流体在动盘面旋转抽吸作用下先进入动盘面边界层,因此该区域温度会较低,随着半径的增大,摩擦力矩做功产生的热量逐渐累积,温度会不断升高。为了更好的对比这两种摩擦系数的求解方法,计算了两种方法的动静摩擦系数项(cf·Re ω 0.2 ),如图5所示,从图中可以看出,相对于文献[12]方法,文献[14]方法提高了动盘的摩擦系数,且动静摩擦系数之差在β<0.41的区间也有较大的提高,最大提高了0.012,这会导致动盘面的摩擦力做功增强,会提高盘腔的旋流系数及风阻温升。

图6给出了两种方法在相同流量系数Cw 为19 355和不同转速下的压力分布的对比,其中Cw=m/(μr),m为流量,μ为动力粘性系数,r为盘腔最大半径。从图中可以看出三维计算和一维计算都存在一个压力平缓区,其无量纲半径 r ˉ <0.6 ,这与三维云图吻合一致,因此该区域为源区,通过图7的旋流系数分布云图可以看出,该区域的旋流系数约为零,旋转增压项为零,从图中可以看出,一维计算旋流系数增加的位置与CFD结果基本吻合,因此本文采用的源区边界的判断方法比较准确。通过压力曲线图可以看出,文献[14]模型计算的压力与三维计算更加吻合,误差在5%左右,文献[12]模型在低转速区误差较大,压力的最大误差在20%。从图5中可以看出由于文献[12]模型的动静摩擦系数差比文献[14]模型小,因此其旋流系数也相应小于文献[14]模型,这导致其旋转增压的效果也较弱,故其压增小于文献[14]模型。我们还可以看出随着转速的增大这种差异会逐渐缩小,这是由于随着转速的增大,从图中可以看出,最大旋流系数也有增大的趋势,而从图5中可以看出,随着旋流系数的增大,两种模型动静摩擦系数之差的差异会逐渐减小,这会导致压增差异减小。图6 流量系数为19 355时不同转速下的压力径向分布


本文编号：3258649