涡轮叶片冷却结构

涡轮叶片冷却结构（精选三篇）

涡轮叶片冷却结构 篇1

关键词：C/S,涡轮叶片冷却结构,可扩展性,信息系统

涡轮叶片设计作为航空发动机的关键环节, 是一个特殊的领域。数十年来国内外学者研究机构投入了大量的人力物力, 做了很多相关的研究并且得到了很多非常有价值的规律, 这些都为涡轮叶片的冷却技术的发展打下了深厚的基础[1]。传统设计中, 数学建模往往由设计人员根据实际需要并结合经验完成。据统计, 设计人员一般要花费20%的时间查找与设计有关的数据资料, 效率很低[2];而要完成相关的数据建模, 花费的时间更多。建模中涉及关联学科多, 资料的数量大, 且数据存储的方式多, 相关标准与描述结构不统一, 导致建模效率低, 模型的可重用性差, 分析计算的结果整体偏差大, 而且对于设计和实验产生的优良数据和方法难于得到及时的更新补充, 严重影响设计产品的性能。

随着技术的发展, 计算机数据信息管理广泛应用于各个领域, 并起到技术支撑作用。在实际应用中, 这一类模型数据具有很高的重用性和稳定性。研发并运用相关信息系统, 能很好地保持应用主体内数据与标准的一致性、完整性及正确性, 提高数据利用效率, 把设计人员从大量重复和繁琐的工作中解放出来, 进而提高产品质量、缩短研制周期、降低生产成本。ЦИАМ (俄罗斯中央巴拉诺夫П.И.航空发动机制造研究所) 为了解决与冷却叶片有关的问题, 建立了一系列数学模型, 借助于描述叶片内热力过程的先进模型, 制定了高性能燃气轮机冷却叶片的设计方法, ЦИАМ应用所制定的方法设计远景的冷却叶片, 并用于建立系列冷却叶片热流体状态模型库[1]。抽象设计相关的模型数据, 建立模型数据库并开发应用系统有很高的现实意义。现主要介绍系统的目标、方案与实现。

1 系统设计

1.1 系统设计要求与运行特点

本系统为特定工作组的设计研发提供信息支持, 具有以下要求与特点:

(1) 基于Internet技术, 主要用于单位的内网, 并支持不同的数据库。便于用户在当前广泛应用PDM (product data management) 系统的环境下, 通过Internet获取相关服务信息。

(2) 实现模型数据的统一管理与共享, 保证系统中模型数据的一致性, 并为用户提供单一的数据源。

(3) 系统安全可靠。建立和定制适度的功能、权限管理机制, 确保数据安全和系统可靠运行。

(4) 具有友好的可视化操作界面。系统应实现对数据库管理操作工具的封装, 提供系统与用户之间的信息传递与交相平台, 具有友好的可视化界面并将信息显示出来。

(5) 具有较强的可扩展性。除满足基本的查询外, 还应该适时增加设计实验中的有价值的数据, 具备模型数据更新、增加等功能。系统应提供一定的接口, 满足外部动态调用计算的需要。

1.2 系统数据的存储结构

从模型数据组成上分析, 系统所需存储的数据包括用于直接表述模型的电子文档信息和用于描述模型属性的信息两大类。涡轮冷却结构模型数据是由一系列异构的电子文档组成的集合。这些文档在类型上包括用于描述的文本和图像文档, 用于实现数据计算的程序文档等等。模型的属性信息表述了模型自身特性以及组成模型电子文档的相互关系, 这些信息是实现系统信息检索的条件和基础。

模型数据的存储与管理的主要问题是实现文档的管理。建立一个优良的数据存储模式能为系统的快速稳定运行提供有力保证。在存储模式上采用了数据库与文件系统结合的模式, 即把用于描述模型属性和所属文档相关的结构化信息存储在数据库中, 而将电子文档集中存储在文件系统中。模型与所属电子文档的关联通过结构化字段信息与文件系统存储路径 (或文件名) 对应来实现[3]。采用此种存储方法能够充分发挥关系数据库和文件系统的各自优势, 有以下优点:

(1) 保证数据库物理结构规整。描述一个模型属性以及关联文信息的记录所占用空间约为0.3kB, 与之关联的物理文件可达MB级。并且模型所属电子文档结构与大小不一, 以数据库记录的形式保存, 读写效率低, 数据备份代价高。而只将结构化的数学模型描述信息存储在数据库记录中, 信息量小, 结构规整, 便于根据需要灵活建立索引, 读写效率高, 数据易于备份。

(2) 简化文档读写操作。将文档存放在数据库的外部, 把文档的读写从数据库字段的读写操作中分离出来, 直接转化为对文件系统中文件的操作。

(3) 减少了服务器系统开销。模型包含大量的异构电子文档, 浏览要占用一定的系统资源。而文档的浏览往往是在检索并选定目标模型之后进行, 采用数据库与文件系统相结合的存储模式后, 分离了文档检索与浏览功能。模式数据的浏览通过下载到客户端上实现, 大大减少了服务器的开销, 提高了系统的运行效率。

然而, 在此种存储模式中, 对单个模型数据的删除、更新操作分离成数据库记录操作和文件系统操作两部分。要保持操作的一致性, “事务机制”依赖于系统开发者编写程序代码提供统一的接口来实现。模型数据的逻辑结构如图1所示。

1.3 系统体系结构

软件的系统结构决定了软件的应用、扩展等重要特性。本系统主要满足工作组级别的应用, 采用两层C/S结构, 以VC++作为开发平台。以目前通用的Microsoft SQL Server 2000作为后台数据服务器, 依据系统整体设计要求和模型数据逻辑结构建立关系模型。客户端程序向服务器 (逻辑上包括数据库服务器和文件服务器) 发送请求, 服务器返回数据和结果, 客户端实现接口功能, 同时封装了界面功能控制、数据库操作、文件系统操作等全部应用逻辑。采用此种架构很好地满足了系统动态调用计算应用的需要, 系统简洁, 提高了开发速度。本系统体系结构如图2所示。

2 系统功能模块与操作流程

根据系统功能要求可以将涡轮叶片冷却结构模型信息系统分解成系统用户管理、模型信息管理、模型信息检索、模型浏览、动态调用辅助计算等功能模块。系统的功能模块与操作流程如图3所示。

(1) 权限管理, 用户登录时系统运用MD5或者其它加密算法完成密码比较确认, 有效地防止了密码在传输和存储中泄露的可能, 也能有效避免SQL注入式攻击[4]。根据用户提交的登录参数来判断用户的合法性, 并将用户的请求转发到相应的功能模块, 控制显示不同的功能项[5]。

(2) 系统用户管理, 主要实现用户的数据库操作权限管理以及工作组人员基本信息管理。

(3) 模型数据管理, 包括模型数据的录入、导出管理, 系统模型数据备份与恢复等, 系统运行日志管理等。

(4) 模型检索, 主要提供简洁的模型数据搜索功能。

(5) 模型浏览, 是系统可视化界面的主体部分, 在用户选定数据模型后, 提供嵌入式浏览功能, 并可根据用户需要提取并保存相关模型数据。

(6) 动态计算, 针对以C、C++、VC++、MATLAB以及FORTRAN编写的动态链接库或可执行程序, 提供统一的调用接口, 实现动态调用模型计算完成辅助计算。

3 系统开发的关键技术

(1) 系统的可移植性。

由于采用了数据存储与文件存储分离的结构, 数据库结构规整且体积大减小, 对后台数据库要求不高。系统应用程序采用VC++开发, 且基于ODBC数据接口。目前常用的数据库平台都提供了ODBC驱动程序, 均可应用于本系统。在系统登录模块的开发中, 实现对SQL Server、Oracle、DB2等主流数据库支持的封装, 登录时自动判断并连接, 对数据库的操作通过向接口传递标准SQL语句实现。系统选取Microsoft SQL Ser-ver2000作为后台支撑数据库, 具有安装移植方便、可维护性好等特点。

(2) 可视化文档的检视浏览功能通用性的实现。

模型文档是一个异构的电子文件的集合, 可视化文档格式较多, 如常见的CAD文档、WORD文档、TXT文档以及JPG文档等等, 难以开发通用浏览模块。系统封装基于COM (component object model) 技术嵌入式显示的视类, 使文档的浏览操作依赖于客户端系统环境, 即在客户机系统后台运行对应全程打开文档, 并将界面嵌入到客户端程序中。这样对客户机运行本程序提出了一定的要求, 即必须安装注册一系列相关的程序组件。当用户使用浏览功能时, 对应模型所属的电子文档会自动下载到本地并在视窗中打开, 在打开失败的情况下提示用户安装相应的程序或控件。

(3) 客户端界面显示层可扩展性实现。

在客户端显示界面设计上, 以树视图结构来表述层次和结构关系, 以列表视图表述模型数据文档, 嵌入文档的浏览窗口。客户端程序运行登录后, 先读入两个界面定制文件 (其中一个用于规定树视图层次结构, 另一个用于描述对应结点特性所需传递的SQL语句) , 然后启动显示界面。界面定制文件用记事本编写, 语法简单。用户可以根据需要重写这两个文件, 以得到不同的界面视图。当用户搜索选定模型后, 对应的电子文档信息以列表的形式显示出来, 供用户下载或者浏览。树视结构示例如图4所示。

(4) VC++ ActiveX自动化与动态链接 (DLL, dynamic linkable library) 实现系统辅助计算功能。

模型计算程序主要以C++和FORTRAN等编程语言编写, 设计人员往往要根据选定的模型将对应的程序段加入主计算程序并重新编译, 效率较低。针对混合调用的特性, 对C++与FORTRAN之间的混合调用进行了研究。在解决实际应用中主要思想是, 采用显示 (explicit) 链接调用方法, 建立统一的DLL文件内部函数命名规则, 将被调用的计算程序编译成动态链接库文件, 使用一致函数的自变量、返回值结构类型实现接口统一[6];客户端动态调用主计算程序, 主计算程序链接调用模型计算程序, 从而在选定结构模型后, 可不用修改和编译主计算程序就能快速完成数值模拟计算。系统应用证明是可行的, 大大地提高了工作效率。

4 结束语

本文阐述了基于涡轮叶片开发的C/S结构的模型信息管理系统。开发过程中充分考虑模型数据在研发部门应用的流程和特点, 用户反馈系统运行稳定、安全高效、实用性好。在扩展性上作了重点研究, 使得系统在相关领域内具有较强的扩展性和通用性, 根据规则修改定制可视化界面并配置新的数据源, 就可直接用于项目投入方其它的研发小组。

参考文献

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涡轮叶片冷却结构 篇2

涡轮动叶采用弯叶片的数值模拟及流场结构分析

本文采用数值模拟的方法,对某型涡轮动叶,计算了±10°、±5°、0°、15°、20°七种倾角下的动叶流场,流场模拟的结果表明,采用正弯叶栅能够减少二次流损失,使总损失与常规动叶相比下降了约10%,并加强了下通道涡,上通道涡减弱.

作 者：顾忠华 冯国泰 王松涛 王仲奇 作者单位：哈尔滨工业大学刊 名：工程热物理学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS年，卷(期)：200122(5)分类号：V235关键词：涡轮 动叶 弯叶片 数值模拟

涡轮第二级动叶冷却结构设计研究 篇3

上世纪40年代开始, 航空燃气涡轮发动机开创了人类航空事业的新纪元, 发展先进航空燃气涡轮发动机, 是人类不断改进各类飞行器性能的主要努力方向。提高涡轮进口温度是改善燃气轮机发动机的关键技术之一, 也是提高推重比和热效率的有效途径[1,2,3,4]。因为航空发动机涡轮入口温度已经远远超过叶片所使用合金材料的熔点, 所以为保证涡轮热端部件的正常工作, 必须采取有效的冷却技术[5,6,7,8,9]。当前, 涡轮叶片的冷却方式主要有气膜冷却、冲击冷却、扰流肋柱等。基于目前的涡轮前进口温度和材料的限制, 单一冷却方式已经远远不能满足涡轮冷却的需要, 必须采取多种冷却方式协同作用才能保证涡轮的高效工作[10,11,12]。

本文以某两级四列燃气涡轮第二级动叶为研究对象, 完成叶片的仿真建模、网格离散直至最终仿真计算的全过程。主流燃气在经过了高压涡轮两列叶栅和低压涡轮导叶以后, 温度和压力下降了很多, 低压动叶前燃气进口温度大概在1 000 K, 这时只需要更加简化的结构就能够达到冷却要求。因此, 省略了气膜喷孔、内冷通道中的扰流斜肋片以及尾缘的劈缝结构, 只保留蛇形通道。

1 低压动叶冷却结构设计

1.1 低压动叶的参数化建模

低压动叶的造型同样采用了以Matlab为基础的自编程序以及结合UGNX软件的曲面造型功能。使用所提供的叶片型面积叠线, 由曲线沿径向方向扫略形成叶片曲面形状, 叶片中的蛇形通道分隔板、肋片等结构由UG草图中给定为表达式约束, 在后期需要修改几何外形时直接修改控制参数即可。

图1中给出的是参数化的蛇形通道实体模型生成后的情况, 该冷却腔采用了双回路的两流程结构, 冷却气体均从底部引入, 在蛇形腔内运行两个流程后通过上部的引气孔引出。图2给出的是叶片实体构造完成后的透视图。

1.2 网格构造方案

由于低压导叶结构简单、网格拓扑关系清晰, 很容易划分出结构化网格, 因此采用了全结构化网格的方案。整个计算域网格总共分为4个部分, 主流道、叶片体、蛇形冷却前腔和蛇形冷却后腔, 这4个部分分别构造结构化网格, 如图3所示。

表1给出了各部分网格的统计情况, 其中网格质量以ICEM中网格质量 (quality) 和最小角度 (minmum angle) 两种评判标准为例, 同时给出了各部分网格质量的分布情况。由最后一栏中可以看出, 网格质量在0.7以上的网格占了总网格数的95%以上, 这说明网格质量是比较好的。

2 低压动叶改型前后温度分布

低压动叶是该两级冷却叶栅的末级叶片, 当主流燃气到达该区域时, 经过前三级叶片的焓降和压降, 温度和压力已经远远低于刚从燃烧室出来时的量级。因此, 低压动叶的冷却结构应该尽量的简单、有效。通常来说, 动叶转子的叶片数量较多, 不仅要承受高温、高压载荷, 而且在正常工作时处于高速旋转状态, 还要承受较大的离心载荷。所以, 合理的动叶的冷却结构不仅能够减轻整个涡轮的重量、提高推重比, 而且简单有效的冷却结构也能够减小冷却气体的阻力, 同时也能够降低流动损失, 提高效率。对于低压动叶来说, 设计时还是采用双流程两回路的蛇形通道结构, 但是取消了通道内的扰流肋片, 尾缘的冷却喷射槽缝也没有保留。冷却气体均从叶片底部引入冷却通道中, 在蛇形通道中折转两次后由顶部的引出孔排出。

低压动叶由于仅仅保留了蛇形通道结构, 因此总体的冷却结构非常简单。在冷却结构造型阶段只有四个部分, 即两组蛇形通道、叶片体和主流道, 不加肋片的蛇形通道也给加工制造提供了极大的便利。图4中所示的就是改进后的低压导叶几何结构示意图。由图中可以看到, 改型后的低压动叶叶片在尾缘压力面上增加了四个离散的缝, 第二蛇形冷却通道中的冷气运动到这组缝以后, 通过这组缝隙射流到叶片外形成气膜, 保护叶片尾缘表面。在图4 (b) 中, 通过小附图的形式给出了这组缝的方位, 缝隙的射流方向与当地叶片表面法线方向成65°。

图5用对比的方式给出了改型前和改型后两种冷却结构下的叶片底部、中部和顶部三个截面上的温度分布情况。其中左边一栏是改型前叶片底部、中部和顶部截面上流体部分的温度分布示意图, 右边一栏是改型后对应截面上的情况。从整体上看, 改型前后对于流道内的温度分布影响很小, 在叶片前缘滞止点处温度较高, 然后气流分别沿着压力面和吸力面流动。在压力面上, 主流燃气均匀的加速, 温度逐渐下降;而在叶片吸力面上, 主流有着明显的加速过程, 尤其是在吸力面中部区域, 主流沿着叶片表面加速度非常大, 导致在叶片表面附近有明显的温降, 而后温度又逐渐回升。

从两个蛇形腔内的温度分布看, 改型后调整了后腔隔板的位置, 使得后腔通流面积在进口段增大, 减小了进口压力, 同时由于低压动叶叶片尾缘较为狭窄, 设计贯通的劈缝结构可能会导致结构稳定性降低, 因此在改型后的叶片在尾缘压力面侧开设一组离散的冷却劈缝。从左边一栏改型前的情况看, 虽然没有扰流肋片的存在, 光滑通道内的冷却流体与壁面换热过程也非常剧烈, 在靠近壁面处的温度梯度很大, 由科氏力诱导出的涡系结构极大的提高了通道内的扰动, 从图5 (c) 、 (e) 中可以看到, 两个蛇形通道内冷却气体的温度上升非常快, 在叶顶截面上的最高温度已经比进口提高了大概200 K左右。再看图5 (b) 、 (d) 、 (f) 中改进后的情况, 由于前部腔室并没有做改动, 因此前部腔室的温度没有变化。而在后部蛇形腔内, 调整了隔板的位置并且在尾缘压力面开设了冷却喷射槽缝使得腔内的流动发生了较大的改变。改型后的后腔结构降低了进气压力, 改善了原有蛇形通道结构最后一个流程内出口段流体不合理的加速状态, 提高了冷却流体和壁面的换热效果。

图6中所示的是与图5对应的改型前后各截面上叶片体的温度分布情况, 可以看出, 后腔的改型没有对前腔截面造成影响, 而在后腔所在区域底部截面上, 温度下降了大概10 K左右, 中部截面的温降不是很明显, 在顶部截面上, 可能是由于冷却离散的冷却槽缝喷射冷气在尾缘位置易于散失, 没有完全覆盖叶片表面, 因此冷却效果的改善也十分有限, 然而改型后使得后腔冷却进口压力降低了0.2.5 MPa, 并且减小了阻力。

3 结论

本文以某高压涡轮第二级动叶为研究对象, 通过Matlab和UG软件结合参数化特征建模技术研究设计冷却结构, 并进行改型前后温度分布对比。叶片的改型对于流道内的温度分布影响很小, 而叶片内部温度的分布有一定变化。在叶片后腔所在区域底部截面上, 温度下降了10 K左右, 在中部截面和顶部截面上冷却效果没有明显改善。

参考文献

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