縱橫交織,融匯貫通

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1、渦輪機(jī)械縱橫交織，融匯貫通渦輪需要在超高溫度下運(yùn)行才可降低燃料消耗，但它們也需要內(nèi)部冷卻才能保持結(jié)構(gòu)的完整性和理想的使用壽命。工程師通過仿真可對(duì)最先進(jìn)的渦輪葉片冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而開發(fā)超越現(xiàn)有設(shè)計(jì)的創(chuàng)新幾何結(jié)構(gòu)。作者：AdamWeaver，美國(guó)惠帕尼MechanicalSolutions公司項(xiàng)目工程師氣渦輪在高溫下會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的工作效率。最新一是最理想的呢？作者同其在普渡大學(xué)的同事采用ANSYSCFX燃代渦輪的燃?xì)鉁囟饶芨哌_(dá)2,700華氏度，但葉片對(duì)一些全新幾何結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出一種能顯著材料一般僅能承受大約1,700華氏度的溫度

2、，所提升性能的創(chuàng)新型形狀。以必須采取冷卻措施。但是，由于渦輪葉片翼面的后緣非常生產(chǎn)用于冷卻通道的陶瓷核心薄，因而在不破壞葉片結(jié)構(gòu)完整性的情況下，幾乎無(wú)法進(jìn)行在燃?xì)廨啓C(jī)組件的制造領(lǐng)域，熔模鑄造一直是生產(chǎn)具有復(fù)冷卻。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，必須最大限度地降低冷卻后緣所需的雜翼面形狀和內(nèi)部冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)的首選技術(shù)。此類鑄造工氣流量以及冷卻回路中的壓力損耗，因?yàn)楫a(chǎn)生該氣流所需的藝先通過脫蠟流程打造一個(gè)陶瓷外殼，其內(nèi)部與翼面的形狀相功率會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。符。將一個(gè)或多個(gè)陶瓷芯布置在殼體內(nèi)部，形成內(nèi)部冷卻通具有內(nèi)部冷卻通道的后緣通常采用熔模鑄造法制造，這種道。將熔融灌

3、入殼體，待其冷卻并硬化。然后再用機(jī)械或化學(xué)方法依靠陶瓷芯形成內(nèi)部通道。設(shè)計(jì)人員因此受到局限，只能方法除去外殼和內(nèi)核，得到成品組件。直到最近，冷卻通道的采用極為簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)來研發(fā)冷卻通道。但是，最新的制造設(shè)計(jì)都還在受到制造商生產(chǎn)幾何結(jié)構(gòu)精度約為1或2mm的陶技術(shù)現(xiàn)已能成功打造更復(fù)雜的冷卻通道形狀。那么哪種形狀才由于渦輪葉片翼面后緣非常薄，在不破壞葉片的結(jié)構(gòu)完整性的情況下，幾乎無(wú)法進(jìn)行冷卻。?2016ANSYS,INC.ANSYSADVANTAGE2016年

4、第1期

5、第X卷25渦輪機(jī)械瓷芯的限制，這就迫使渦輪葉片冷卻通道只能采用十分簡(jiǎn)單的形狀。這些簡(jiǎn)單

6、的通道幾何結(jié)構(gòu)對(duì)來自周邊金屬的熱能傳導(dǎo)效率并不高。例如，如果冷卻通道采用正方形截面且是直通走向，那么在靠近固體表面的位置會(huì)形成一個(gè)熱邊界層，但處于通道中心的氣流在葉片中布置新通道只能吸收很少的熱量。這使得用于冷卻氣流方向翼面的能量很大部分被浪費(fèi)了。近兩年推行的新制造方法使冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)的選擇更為豐富。有種新的制三連沖設(shè)計(jì)造方法可將冷卻通道的計(jì)算機(jī)模型切分為厚度約25微米的薄片，用于創(chuàng)建光掩膜。隨后再采用光掩膜對(duì)層疊金屬箔片進(jìn)行蝕刻，制作出精度極高的3D空腔。該母模使用硅膠等材料制作出模具，后多重網(wǎng)格設(shè)計(jì)者能鑄造精度超高的陶瓷材料。對(duì)新的冷卻通道幾何

7、結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真這些新的制造方法啟發(fā)了普渡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)去探索多種具有更復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的冷卻通道，從而分解邊界層并提升熱傳之字形設(shè)計(jì)遞效果?！みB沖設(shè)計(jì)通過面積收縮形成高速射通過新制造方法實(shí)現(xiàn)的三種新型冷卻通道幾何結(jié)構(gòu)流，并將射流垂直指向固體表面；[W/m2k]·多重網(wǎng)格設(shè)計(jì)使用與氣流方向呈45度角的方柱，借助射流間相互作用進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和混合氣流；Vin=5[m/s]·之字形設(shè)計(jì)將氣流束縛在通道中，并彎折通道產(chǎn)生二次氣流結(jié)構(gòu)，從而將冷卻流體推向壁面。Vin=10[m/s]普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用CFD對(duì)上述設(shè)計(jì)以及作者自己所設(shè)計(jì)作品的性能進(jìn)行了評(píng)估。作者的設(shè)計(jì)有兩層在交匯點(diǎn)

8、上起Vin=20[m/s]流固耦合可為燃?xì)廨啓C(jī)葉片實(shí)現(xiàn)良好降溫——文章ansys.com/weaving101不同流速下用于織紋設(shè)計(jì)的熱傳遞系數(shù)等值線圖26ANSYSADVANTAGE2016年

9、第1期

10、第X卷?2016ANSYS,INC.56mm56mm氣流方向135795mm11246810121234564.13mm789101112頂視圖織紋設(shè)計(jì)在上游端有一個(gè)分流器，在翼面后緣有對(duì)齊的導(dǎo)管。投射在織紋冷卻通道截面上的流線和等溫線顯示了該設(shè)計(jì)分解邊界層的方式。伏的45度角通道，不僅避免了接觸，而且還可持續(xù)擾動(dòng)氣流0.01mm也是如此。在本應(yīng)用中

11、嘗試的其他代碼往往不能在這方向。針對(duì)所有的設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)使用剪切應(yīng)力傳輸（SST）湍種節(jié)點(diǎn)間距下收斂。研究人員采用由沖擊平板的平面射流構(gòu)成流模型開展了共軛熱傳遞分析。后緣周圍的熱氣體溫度保持在的測(cè)試?yán)}驗(yàn)證了CFD的結(jié)果，取得了非常理想的相關(guān)性。21,755K，外部熱傳遞系數(shù)設(shè)定在2,000W/mK。進(jìn)氣道的冷卻確定最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)氣流溫度為673K，管道出口的壓力保持在25巴。可通過改研究人員對(duì)三個(gè)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，以便在性能曲線變?nèi)肟诶鋮s質(zhì)量流或壓力來研究各種情況下的性能。通道高度圖上選擇等效點(diǎn)，這樣他們就能夠?qū)θ我鈨蓚€(gè)設(shè)計(jì)直接進(jìn)行為2mm。比較。結(jié)

12、果顯示，針對(duì)給定的質(zhì)量流速率，從傳輸?shù)臒崃縼斫柚鶤NSYS的網(wǎng)格剖分和流體功能，該團(tuán)隊(duì)得以開發(fā)看，多重網(wǎng)格設(shè)