CN101404042A - 一种防冰叶片的设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机压气机零级防冰叶片的设计计算方法。其主要是建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部独立流动单元和引气管路连接构成流路网络图，进行流量计算，水撞击率计算，叶片外换热系数计算，叶片内部热气流腔的换热系数计算，叶片热平衡计算，最后对计算结果分析。本发明能快速完成叶片内部热气流腔的建立和修改、流路网络图的生成、叶片内部热气流腔的流动、换热和水撞击率计算以及热平衡计算分析，缩短设计周期，减少了设计费用。

Description

一种防冰叶片的设计计算方法

技术领域：

本发明涉及一种航空燃气轮机的计算方法，具体涉及一种涡轮轴发动机压气机零级防冰叶片的设计计算方法。

背景技术

航空燃气轮机压气机零级叶片直接与大气接触，大气经压气机零级叶片进入压气机，在寒冷的天气，大气中存在的液态水撞击在压气机零级叶片上结冰，压气机零级叶片上结冰会影响发动机的正常工作，严重时会损害发动机，影响飞行安全。通常是引入一定热气流来防止压气机零级叶片结冰。叶片内部热气流道、热气流量是由试验确定，设计周期长，费用高。为了缩短设计周期和费用，这就需要一种叶片防冰设计计算方法，完成叶片防冰结构的修改、性能分析的叶片防冰设计计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计周期短，费用低的叶片防冰设计计算方法。

本发明的防冰叶片设计计算方法，该计算方法步骤如下：

1、建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部独立流动单元和引气管路连接构成流路网络图；

2、流量计算

对于任一流动节点，空气流量计算公式为：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{mij}}=0$

式中：q_mij-与节点i相连的各分支的质量流量的代数值

3、水撞击率计算

水撞击率是叶片前缘圆、叶盆、叶背和后缘圆局部水撞击率的总和，局部水撞击率计算式：

W″_w，l＝ρ_w*V₀*β，

$\mathrm{\β}=\frac{d{Y}_0}{\mathrm{ds}}$

式中：ρ_w密度，：V₀速度，局部水撞击效率，ds微元面积，dY₀水滴间距

4、叶片外换热系数计算

叶片外换热系数包括叶片前缘、叶盆、叶背和后缘圆局部换热系数，叶片前缘换热系数的计算公式为：

$\mathrm{\α}=1.14\frac{\mathrm{\λ}}{D}{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.4}[1-{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{90}\right)}^3]$

式中：λ-空气的导热系数，D-叶片前缘当量直径，

Re_D-以D为特征尺寸的来流空气雷诺数

Pr-空气普朗特数，θ-计自前缘驻点的角度

叶盆、叶背和后缘圆换热系数的计算公式为：

$\mathrm{\α}=n_c\frac{\mathrm{\λ}}{S}{\mathrm{Re}}_S^{n2}{\mathrm{Pr}}^{n1}$

式中：n_c＝0.02--0.4，n₁＝0.05-0.7，n₂＝0.25-0.5

λ-空气的导热系数，s-叶片表面弧长

Re_s-以s为特征尺寸的来流空气雷诺数，Pr-空气普朗特数

5、叶片内部热气流腔的换热系数计算

叶片内部热流腔的换热系数计算公式为：

$\mathrm{\α}=0.023\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{De}}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{De}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}$

式中：λ-空气的导热系数，De-流通管道的当量直径

Re_De-以De为特征长度的雷诺数，Pr-空气普朗特数

6、叶片热平衡计算

叶片热平衡是叶片表面对流换热热流q₁，表面水蒸发散热q₂，附面层摩擦加热热流q₃，对收集水的加热热流q₄，水微滴动能转变来的加热热流q₅，叶片内腔热气流加热热流q的平衡，叶片热平衡计算公式为：

q＝q₁+q₂-q₃+q₄-q₅

叶片表面温度分布t的计算公式为

t＝f(q₁，q₂，q₃，q₄，q₅)

7、计算结果分析

叶片表面温度分布t的最小温度t_min的计算公式为：

t_min＝∑t

t_min大于设计点值t₀时，叶片内部热气流腔为设计合理。

本发明的防冰叶片设计计算方法具有如下优点：能快速完成叶片内部热气流腔的建立和修改、流路网络图的生成、叶片内部热气流腔的流动、换热和水撞击率计算以及热平衡计算分析，缩短设计周期短，减少了设计费用。

附图说明

图1是本发明的叶片内部热气流腔和引气管路结构示意图

图2是本发明的流动网络图

图中1、引气管，2、第一腔、3、第二腔，4、第三腔，5、第四腔，6、第五腔，7、叶片前缘，8、叶片尾缘。

具体实施方式

建立5个叶片内部热气流腔和一个引气管路1独立流动单元，再将第一腔2、第二腔2、第三腔4、第四腔6、第五腔7和引气管1连接成流路网络图，热气流由引气管1按流路网络图的流路依次进入各热气流腔，再由尾缘8的热气流腔出口排入主流道中。

根据公式 $\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{mij}}=0$

计算出热气流腔的流量为：

q₁₀＝2.85克/秒  q₁₇＝5.86克/秒  q₁₈＝7.24克/秒

q₁₄＝5.86克/秒  q₁₂＝2.85克/秒

根据公式W″_w，l＝ρ_w*V₀*β计算出水撞击率：

W＝1.536克/秒

根据公式

$\mathrm{\α}=1.14\frac{\mathrm{\λ}}{D}{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.4}[1-{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{90}\right)}^3]$

$\mathrm{\α}=\mathrm{nc}\frac{\mathrm{\λ}}{s}{\mathrm{Re}}_s^{n1}{\mathrm{Pr}}^{n2}$ 计算出：

叶片前缘外换热系数1500瓦/米²K

叶盆外换热系数210瓦/米²K

叶背外换热系数225瓦/米²K

叶片后缘换热系数135瓦/米²K

根据公式 $\mathrm{\α}=0.023\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{De}}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{De}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}$ 计算出

叶片内部热气流腔的换热系数

根据公式q＝q₁+q₂-q₃+q₄-q₅，t＝f(q₁，q₂，q₃，q₄，q₅)

计算出；

叶片表面温度分布t(280，290，……317K)

根据公式t_min＝∑t

计算出叶片表面最小温度t_min＝280K，最小温度t_min大于设计点t₀＝273K，所设计的防冰叶片满足设计要求。

Claims (1)

1、一种防冰叶片设计计算方法，其特征在于：

A、建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部独立流动单元和引气管路连接构成流路网络图；

B、流量计算

对于任一流动节点，空气流量计算公式为：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_{\mathrm{mij}}=0$

式中：q_mij-从i流动单元到j流动单元的质量流量的代数值；

C、水撞击率计算

水撞击率是叶片前缘圆、叶盆、叶背和后缘圆局部水撞击率的总和，局部水撞击率的计算式为：

W″_w，l＝ρ_w*V₀*β

$\mathrm{\β}=\frac{d{Y}_0}{\mathrm{ds}}$

式中：ρ_w密度，：V₀速度，局部水撞击效率，ds微元面积，dY₀水滴间距；

D、叶片外换热系数计算

叶片外换热系数包括叶片前缘、叶盆、叶背和后缘圆局部换热系数，叶片前缘的计算公式为：

$\mathrm{\α}=1.14\frac{\mathrm{\λ}}{D}{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.4}[1-{\left(\frac{\mathrm{\θ}}{90}\right)}^3]$

式中：λ-空气的导热系数，D-叶片前缘当量直径，

Re_D-以D为特征尺寸的来流空气雷诺数

Pr-空气普朗特数θ-计自前缘驻点的角度，

叶盆、叶背和后缘圆的计算公式为：

$\mathrm{\α}=n_c\frac{\mathrm{\λ}}{S}{\mathrm{Re}}_S^{n_2}{\mathrm{Pr}}^{n_1}$

式中：n_c＝0.02--0.4，n₁＝0.05-0.7，n₂＝0.25-0.5

λ-空气的导热系数，s-叶片表面弧长

Re_S-以s为特征尺寸的来流空气雷诺数，Pr-空气普朗特数；

E、叶片内部热气流腔的换热系数计算

根据公式

$\mathrm{\α}=0.023\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{De}}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{De}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}$

式中：λ-空气的导热系数，De-流通管道的当量直径

Re_De-以De为特征长度的雷诺数，Pr-空气普朗特数；

F、叶片热平衡计算

根据热平衡计算公式q＝q₁+q₂-q₃+q₄-q₅，计算叶片表面温度分布t；

G、计算结果分析

叶片表面温度分布t由公式t_min＝∑t计算出叶片表面最小温度t_min，t_min大于设计点值t₀时，叶片内部热气流腔为设计合理。

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