一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法技术

本发明专利技术公开了一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，包括：构建涡轮盘/叶片的瞬态位移数值计算模型；对瞬态位移数值计算模型进行简化处理以及网格划分；确定涡轮盘/叶片的过渡态过程，对过渡态过程划分时间步，并获取数值计算的流体域数值计算边界条件与固体域数值计算边界条件；基于边界条件对每个时间步进行流体域稳态数值计算和固体域瞬态热固耦合数值计算，直至达到最大时间步时，结束计算；基于流体域数值计算结果与固体域数值计算结果的数据交互，获取过渡态过程中涡轮盘/叶片的位移变化。本发明专利技术既避免了较大程度简化模型带来的误差，也一定程度上避免了由于边界条件带来的计算误差，提高了瞬态位移的计算精度。提高了瞬态位移的计算精度。提高了瞬态位移的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法


[0001]本专利技术属于涡轮盘和叶片位移数值计算领域，特别是涉及一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法。

技术介绍

[0002]航空发动机作为一种机械结构高度复杂的热机，具有机件之间配合间隙要求高的特点。其中，涡轮叶尖间隙是影响发动机整机性能的关键配合间隙，根据工程经验，涡轮叶片间隙每减小0.25mm，涡轮部件效率会提高1％，发动机排气温度减小10℃，耗油率降低1％，因此，需要对发动机过渡态过程中的涡轮叶尖间隙进行准确评估，而叶尖间隙较大程度上受涡轮盘和涡轮叶片位移变化的影响，需要一种能准确评估涡轮盘和涡轮叶片瞬态位移的方法。
[0003]涡轮盘/叶片的位移变化主要受离心载荷、温度载荷与压力载荷的影响。目前，主流的涡轮盘/叶片的瞬态位移评估方法主要有两种，一是构建快速计算模型来求解过渡态过程中涡轮盘/叶片的位移变化：对于涡轮盘，该方法忽略了篦齿、法兰边等复杂结构，将涡轮盘简化为了多个等厚圆环；对于叶片，则是将其简化成了变截面直叶片，忽略其内部复杂的内冷结构及榫头、缘板结构。这种计算方法的优势在于能快速计算出涡轮盘/叶片的位移变化，但是由于该方法对涡轮盘/叶片进行了较大程度的简化，计算精度较低。二是对涡轮盘/叶片进行瞬态热固耦合数值计算，得到盘/叶片的瞬态位移，该方法一定程度上避免了简化计算模型带来的计算误差，但是，由于该方法不进行流体域的数值计算，其固体域的热边界条件依赖于实验结果，而当前通过实验获取过渡态边界条件难度较大，准确度较低，导致该方法计算结果也存在一定误差，此外，受限于换热边界，该方法只能对实验给定的过渡态过程进行计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，包括以下步骤：
[0006]构建瞬态位移数值计算模型；所述瞬态位移数值计算模型包括涡轮盘计算模型/叶片计算模型，所述涡轮盘计算模型包括涡轮盘及盘前腔室、盘后腔室，所述叶片计算模型包括涡轮叶片及叶片外流场、内流场；其中，所述涡轮盘、所述涡轮叶片为固体域，所述盘前腔室、所述盘后腔室、所述叶片外流场、所述内流场为流体域；
[0007]对所述瞬态位移数值计算模型进行简化处理以及网格划分；
[0008]确定涡轮盘/叶片的过渡态过程，对所述过渡态过程划分时间步，并获取数值计算的边界条件；所述边界条件包括流体域数值计算边界条件与固体域数值计算边界条件；
[0009]基于所述边界条件对每个时间步进行流体域稳态数值计算和固体域瞬态热固耦
合数值计算，直至达到最大时间步时，结束计算；
[0010]基于流体域稳态数值计算结果与固体域瞬态热固耦合数值计算结果的数据交互，获取过渡态过程中涡轮盘/叶片的位移变化。
[0011]可选地，对所述数值计算模型进行网格划分的过程中，对于流体域贴近壁面的部分采用密集的网格划分。
[0012]可选地，对所述过渡态过程划分时间步的过程中，每个时间步的进口温度变化幅度小于20K，同时进口压力的无量纲阶跃幅值小于1.13。
[0013]可选地，所述流体域稳态数值计算的过程包括：
[0014]添加流体域数值计算边界条件，进行流体域稳态数值计算，其中，对于涡轮盘流体域，将腔室的进出口设置为压力边界条件，将静止壁面设置为绝热边界条件，将转动壁面设置为温度边界条件，并设置该步长下的壁面转速；对于叶片流体域，外流场进出口设置为压力边界，内流场进口设置为流量边界条件，壁面设置为温度边界条件，并设置该步长下整个流体域旋转速度；
[0015]对流体域稳态数值计算结果进行后处理，获取涡轮盘/叶片表面的对流换热系数及壁面压力。
[0016]可选地，所述温度边界条件的设置过程中，将过渡态过程开始时的环境温度作为初始步长的温度，其他步长根据上一步长结束时计算得到的涡轮盘/叶片壁面温度确定；所述壁面转速为该步长下涡轮盘/叶片的平均转速。
[0017]可选地，所述对流换热系数的计算方法包括：
[0018][0019]其中，q为通过壁面的热流，t
in
为进口温度，t
w
为壁面温度。
[0020]可选地，所述固体域瞬态热固耦合数值计算的过程包括：
[0021]添加固体域数值计算边界条件，进行固体域瞬态热固耦合数值计算；
[0022]对固体域计算结果进行后处理，获取当前步长下涡轮盘的瞬态位移及涡轮盘/叶片壁面温度。
[0023]可选地，所述固体域数值计算边界条件包括：对涡轮盘的前法兰边添加轴向位移约束，对整个涡轮盘整体添加当前步长下随时间变化的转动速度，对涡轮盘缘添加该步长下叶片对涡轮盘施加的瞬态离心载荷；对涡轮叶片叶根处施加固定约束，对叶片整体添加当前步长下随时间变化的转动速度；基于流体域稳态计算结果，对涡轮盘/叶片表面添加压力载荷及壁面对流换热边界条件。
[0024]可选地，所述对流换热边界条件的环境温度为流体域进口温度。
[0025]本专利技术的技术效果为：
[0026]与现有计算方法相比，本专利技术考虑到了流体域响应速度远大于固体域的特点，只求解稳态流场，通过流体域稳态计算与固体域瞬态热固耦合计算结合，由流体域计算结果提供固体域瞬态计算所需的换热边界，由固体域计算结果提供流体域计算所需的温度边界，如此反复计算，得到整个过渡态过程下的涡轮盘位移变化。相比于前述两种计算方法，本专利技术既避免了较大程度简化模型带来的误差，也一定程度上避免了由于边界条件带来的计算误差，提高了瞬态位移的计算精度。
附图说明
[0027]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0028]图1为本专利技术实施例中的涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法流程图；
[0029]图2为本专利技术实施例中的涡轮盘及盘前、后腔室计算模型图。
具体实施方式
[0030]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0031]需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0032]实施例一
[0033]本实施例中提供一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，包括以下步骤：
[0034](1)建立涡轮盘/叶片瞬态位移数值计算模型，其中，涡轮盘计算模型包括涡轮盘(固体域)及盘前、盘后两个腔室(流体域)，叶片计算模型包括涡轮叶片(固体域)及叶片外流场、内流场(流体域)；
[0035](2)对计算模型进行简化处理并划分网格；
[0036](3)确定涡轮盘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，其特征在于，包括以下步骤：构建瞬态位移数值计算模型；所述瞬态位移数值计算模型包括涡轮盘计算模型/叶片计算模型，所述涡轮盘计算模型包括涡轮盘及盘前腔室、盘后腔室，所述叶片计算模型包括涡轮叶片及叶片外流场、内流场；其中，所述涡轮盘、所述涡轮叶片为固体域，所述盘前腔室、所述盘后腔室、所述叶片外流场、所述内流场为流体域；对所述瞬态位移数值计算模型进行简化处理以及网格划分；确定涡轮盘/叶片的过渡态过程，对所述过渡态过程划分时间步，并获取数值计算的边界条件；所述边界条件包括流体域数值计算边界条件与固体域数值计算边界条件；基于所述边界条件对每个时间步进行流体域稳态数值计算和固体域瞬态热固耦合数值计算，直至达到最大时间步时，结束计算；基于流体域稳态数值计算结果与固体域瞬态热固耦合数值计算结果的数据交互，获取过渡态过程中涡轮盘/叶片的位移变化。2.根据权利要求1所述的涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，其特征在于，对所述数值计算模型进行网格划分的过程中，对于流体域贴近壁面的部分采用密集的网格划分。3.根据权利要求1所述的涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，其特征在于，对所述过渡态过程划分时间步的过程中，每个时间步的进口温度变化幅度小于20K，同时进口压力的无量纲阶跃幅值小于1.13。4.根据权利要求1所述的涡轮盘和叶片瞬态位移数值计算方法，其特征在于，所述流体域稳态数值计算的过程包括：添加流体域数值计算边界条件，进行流体域稳态数值计算，其中，对于涡轮盘流体域，将腔室的进出口设置为压力边界条件，将静止壁面设置为绝热边界条件，将转动壁面设置为温度边界条件，并设置该步长下的壁面转速；对于叶片流体域，外流场进出口设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：由儒全，李海旺，田成龚，王钦钦，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：