部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法技术

本发明专利技术公开了部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法，通过建模、对模型的网格划分，数据模拟分析，得到受轮盘变形影响的涡轮机气动性能和应力应变，本发明专利技术的方法适用于水下部分进气轴向冲动式涡轮发动机，为喷水冷却涡轮机的性能提供了直观的数据支撑，能够较好的解决水下涡轮机部分进气结构对涡轮机气热弹耦合仿真造成的影响，并能判断在喷水冷却下涡轮盘的可靠性。喷水冷却下涡轮盘的可靠性。喷水冷却下涡轮盘的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法


[0001]本专利技术属于工程热力学
，具体涉及部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法。

技术介绍

[0002]目前，服役于世界各国海军的潜艇及水面舰艇性能大为改善，特别是航速有了较大的提高，为了适应未来海战的需要，用于反潜反舰的鱼雷急需增大其航速、航程及航深，因此迫切需要提高鱼雷动力推进系统的性能。采用涡轮机的热动力系统具有比功率大、体积小、使用维护成本低和寿命周期长等优点，因此在动力推进系统功率达到上千千瓦的情况下，鱼雷动力推进系统发动机的首选方案是涡轮机。
[0003]因为涡轮机尺寸受限于水下航行器的空间，所以为了提高涡轮机的性能，其转速通常会达到上万转，现有应用于水下航行器的涡轮机转速可到50000rpm，轮盘根部接近材料屈服强度极限，难以继续提高转速以增加涡轮机效率和功率。同时，提高涡轮前燃气入口温度是提供较大可用焓降，提高涡轮机有效功率的手段之一，但因燃气温度的提高，涡轮盘热负荷过大，在大转速运转下易发生结构的龟裂变形，影响涡轮机安全与稳定工作，如今水下航本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立水下涡轮机流体域和固体域的三维模型；步骤2、利用多重分块结构化网格方法对三维模型进行网格划分；步骤3、采用流场仿真计算软件，建立具有超音速流场、多相流、传质相变的流场数值模拟仿真计算方法，设置喷水冷却涡轮机流体域耦合面的温度初值，对流体域进行数值模拟，得到流体域耦合面上的热流密度和近壁面温度；步骤4、考虑轮盘的旋转效应，将各个耦合面上的热流密度和近壁面温度沿周向进行平均后计算得到耦合面上的对流换热系数；步骤5、建立固体域导热模型，将各个耦合面上的对流换热系数和近壁面温度作为固体域的边界条件对固体域进行数值模拟，得到固体域耦合面的壁面温度；步骤6、将固体域耦合面的壁面温度进行松弛后，作为流体域的耦合面壁面温度，再次对流体域进行数值模拟，执行步骤3～5，得到新的固体域耦合面的壁面温度，将新的固体域耦合面的壁面温度与上一循环步骤5中固体域耦合面的壁面温度相比，判断壁面温度是否收敛，若收敛，则结束循环，若不收敛，则返回步骤3，直到壁面温度收敛，得到喷水冷却涡轮机涡轮盘的温度分布；步骤7、由最后一次循环中流体域数值模拟的结果得到气动载荷，将温度载荷、气动载荷及离心载荷加载到涡轮盘上对轮盘进行有限元计算分析，得到喷水冷却涡轮机涡轮盘的总应力和总应变；步骤8、根据喷水冷却涡轮机涡轮盘的总应力和总应变建立变形后的涡轮机流体域和固体域模型(9)，将变形后的涡轮机流体域和固体域模型(9)作为三维模型，执行步骤2～7，得到受轮盘变形影响的喷水冷却涡轮机涡轮盘的总应力和总应变。2.根据权利要求1所述的用于部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法，其特征在于，步骤1具体过程为：根据实际工程中的水下涡轮机三维模型参数，利用三维建模软件进行实体几何造型的构造，得到固体域实体模型，并反解出流体域实体模型，形成水下涡轮机流体域和固体域的三维模型。3.根据权利要求1所述的用于部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法，其特征在于，所述三维模型的流体域分为喷管流道域、转子叶栅域、叶顶间隙域和轴向间隙域，在喷管流道域、轴向间隙流域采用O型网格进行加密，转子叶栅域处则采用H型block进行加密，喷管流域在靠近喉部位置沿流动方向进行加密。4.根据权利要求1所述的用于部分进气结构的喷水冷却轴向涡轮机气热弹耦合计算方法，其特征在于，步骤3具体过程为：对喷水冷却涡轮机的流体域进行仿真，其中流体域的入口为压力入口，总温总压为实际进气总温总压，出口为压力出口，静压为实际出口静压，轴向和径向喷水口设置为质量流量入口，喷入的冷却水的流量和温度由实际工程决定，采用3D定常压力基求解器，双精度，使用COUPLED算法，燃气和水蒸气为理想可压气体并打开组分输运模型考虑质量和热量的扩散，液态水为不可压液体，液体和气体之间采...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗凯，智若阳，秦侃，王瀚伟，党建军，黄闯，李代金，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：