模拟涡轮定子刀片中的热应力

2013年9月18日

我们可以利用仿真软件来理解和优化组件设计。每个模拟都取决于模型这是该应用程序发现自己的现实的表示。建模使我们能够用足够的详细信息来表示这一现实，以接收有关特定应用程序或组件的相关信息。让我们看一下从我们的模型库中对涡轮定子叶片模型的热应力分析，并研究在此应用中非常重要的传热和热应力的影响。

有效的传热建模

为了进行快速计算，可以预定义涡轮定子叶片模型的传热方面，也不能专门解决。请注意，此处显示的建模水平可以是研究的最终目标，也可以用作接收模型概述并验证所有设置一致的第一步。无论哪种情况与您有关，我总是建议您从模型的版本开始，在该版本中，可以轻松地使用不同的参数集验证行为。如果模型不需要数小时或几天才能返回结果，也总是更好。（此类计算仅在验证模型的初始版本作为制造前的最终模拟或出于质量保证的原因后进行。）

涡轮定子刀片的几何形状
定子刀片几何形状，带有安装细节，它们之间的刀片以及刀片内的冷却管道。

在涡轮定子叶片中建模热应力

让我们使用涡轮定子叶片模型的热应力分析作为一个例子高效的模型可以保留准确的通过定义几个建模细节。定子由刀片内的管道组成，该管道用于使液体通过定子以冷却结构。由于定子叶片受到高速度的约束，周围环境和定子表面之间的热量也很高。

加速该模型的计算的关键是使用平均努塞尔特数量相关性（而不是模拟管道中的复杂流量和叶片周围的复杂流量）来估计流体和结构之间的传热系数。有了一些经验或文献综述，您可以找到平均努塞尔特数字相关性，这些相关性提供了热交换过程的体面代表。

预定义和用户定义的表达式

在定子叶片模型中，使用经典条件建立了一些热交换系数，而模型的某些部分不适合任何经典配置。取而代之的是，这些零件需要针对模拟情况进行验证的量身定制的配方。对于经典条件，传热模块使您拥有预定义的相关性。对于需要量身定制的配方的零件，您可以将需要的特定表达式输入到软件中。

设置模型

这压力侧（刀片的凹面）和吸气方（刀片后面）使用外部强制的局部传热系数近似为两个平板对流。这些Nusselt相关性是预定义的，可以从列表中选择。然后，该界面提供定义相关性所需数量的输入：流体的性质，其状态（温度和压力）及其速度。燃烧气体在30 bar和1,100 k处近似为空气。声音的相应速度约为650 m/s。典型的马赫数在压力侧为0.7，在吸力侧为0.45。这对应于大约450 m/s（称为U_UP在模型中）在压力侧和300 m/s（称为U_Down在模型中）在吸力侧。为了更准确，我们使用局部传输系数，而不是平均系数。因此，除了以前的数量外，这还需要沿着使用全局坐标系定义的边界的位置。

下图显示了所有这些设置输入到预定义的物理接口：

预定义的传热系数

与定子叶片相邻的安装墙的处理方式与定子本身相同，但自由流速度设置为350 m/s。

刀片还与空气流过冷却管道，如下所示。管道几何形状被简化，不包括细节，例如用于增加冷却表面积的肋骨。通过此表示，我们可以在J. Bredberg的论文中的平均Nusselt数量相关性的帮助下计算出等效的传热系数。湍流建模，用于内部冷却气动涡轮叶片“。在这种情况下，冷却温度为t_cool = 800 k。

涡轮定子刀片中的内部冷却管
刀片的内部冷却管。