結(jié)構(gòu)變形對濾清器加熱級總壓損失的影響研究

韓芳明　徐禮鵬

摘 要：本文利用ANSYS有限元軟件，對濾清器加熱級進行了耦合場分析，得到了結(jié)構(gòu)變形對加熱級總壓損失的影響程度。結(jié)果表明：熱阻力損失是加熱級總壓損失增大的主要原因，流道收窄是結(jié)構(gòu)阻力損失的主要原因，但對總壓損失的影響很小。本文為研究變形對濾清器阻力特性的影響做出了初步的探索。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)變形;濾清器;總壓損失

中圖分類號：U664.131 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0059-03

Study on Influence of Structural Deformation on Total Pressure

Loss of Filter Heating Stage

HAN Fangming XU Lipeng

（Aerospace Haiying （Harbin） Titanium Co.， Ltd.， Harbin Heilongjiang 150029）

Abstract： In this paper， the coupling field analysis of the filter heating stage is carried out by using ANSYS finite element software， and the influence degree of the structure deformation on the total pressure loss of the heating stage is obtained. The results show that the heat resistance loss is the main reason for the increase of the total pressure loss of the heating stage， and the channel narrowing is the main reason for the structure resistance loss， but the influence on the total pressure loss is very small. In this paper， the effect of deformation on the resistance characteristics of the filter is studied.

Keywords： structural deformation;filter;total pressure loss

在高寒地區(qū)工作的燃氣輪機進口處，常加裝防冰加熱設(shè)備，利用加熱級內(nèi)部腔道內(nèi)的高溫流體加熱進入燃氣輪機的低溫空氣，提高燃氣輪機的進氣溫度，以避免進氣道結(jié)冰引起的阻力增加和壓氣機喘振等問題。國內(nèi)外很多學(xué)者已將熱流耦合方法應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域中。黃唐等[1]進行了二維流場、熱、結(jié)構(gòu)一體化的數(shù)值模擬，給出了一種把流場、熱、結(jié)構(gòu)耦合起來的數(shù)值模擬方法。凌濤[2]基于ANSYS的熱-流耦合分析，用有限單元法模擬流場對溫度場的影響。劉振俠等[3]采用熱流耦合方法對擾流前緣為鈍形平板的二維層流流動進行了模擬，驗證了熱流耦合方法的可靠性。HAN等[4]對渦輪葉片內(nèi)部的溫度場和流場進行了模擬預(yù)測分析，對后續(xù)的課題研究產(chǎn)生了巨大影響。本研究以ANSYS為工具，對進氣濾清器的加熱級進行流場、應(yīng)力場和溫度的綜合分析，研究結(jié)構(gòu)變形和加熱過流空氣對加熱級阻力特性的影響，為加熱級的進一步研究提供一定參考。

1 濾清器加熱級模型建立

相鄰加熱級葉片之間交錯排列，氣流流程約為160 mm。采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方案，在擴展段采用結(jié)構(gòu)化（映射）四邊形網(wǎng)格，在空氣流通域和加熱級部件本體用非結(jié)構(gòu)化（自由）三角形網(wǎng)格，如圖1所示。

2 濾清器加熱級的計算假設(shè)及邊界條件

由于加熱級葉片的熱流道內(nèi)通有飽和蒸汽，其流動速度超過某一特定值后，熱流道內(nèi)的蒸汽只會向壁面釋放熱量，而溫度保持恒定，故假設(shè)與壁面接觸的飽和水蒸氣不發(fā)生相變，且壁面為恒溫?zé)嵩础Ｔ贏NSYS耦合場分析中，熱流道在不同工況下分別通有3個、4個和5個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的飽和蒸汽，對應(yīng)的溫度分別為417 K、425 K和432 K，且加熱級葉片的排布滿足周期性邊界條件。

3 計算結(jié)果分析

將加熱級的總壓損失分為3部分：固有阻力損失、熱阻力損失和結(jié)構(gòu)阻力損失。表1列舉了不同速度下流場的總壓損失。

在忽略加熱級葉片因熱載荷和壓力載荷而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形的情況下，利用Fluent模塊計算不同溫度和流速下的總壓損失，如表1所示。可以看出，在加熱級葉片加熱流道內(nèi)過流空氣的情況下，加熱級的總壓損失有明顯增加，增長13.5%左右，而熱阻力損失在417 K工況、425 K工況和432 K工況中變化不大。

圖2為10 m/s速度下不同工況的總壓對比圖。由圖2可知：417 K工況下的總壓沿流動方向明顯增大，在加熱引起的熱阻力損失作用下，加熱級入口處的總壓明顯高于加熱前245 K工況下的總壓。結(jié)合表1可知，在10 m/s條件下，加熱使加熱級的總壓損失增大了75 Pa。但在不同加熱工況下，加熱級流道內(nèi)的總壓分布無明顯差異，只有小幅度的總壓變化，導(dǎo)致擴展段內(nèi)部分區(qū)域的總壓分布產(chǎn)生了較小的變化。432 K工況在擴展段的低壓與417 K工況的低壓相比略有減小，同時，432 K工況的熱流道內(nèi)的熱載荷較417 K工況略大，造成了更大的熱阻力損失，使加熱級前迎風(fēng)面附近的相對低壓區(qū)變小，并集中在葉片平直段的附近，但熱載荷的波動對進口沒有明顯影響。結(jié)合表1可知，在10 m/s條件下，葉片內(nèi)壁面的熱載荷提高15 K，只增大了6 Pa的熱阻力損失。由上述分析可知，在加熱級中加熱過流空氣時，總壓沿流動方向降低，當(dāng)飽和蒸汽溫度在425 K左右小幅波動時，溫度不會對總壓損失產(chǎn)生明顯影響。

本研究所提及的加熱級葉片與常見的濾清器葉片的最大區(qū)別在于：葉片中空，形成了熱流道，飽和蒸汽在其中對葉片同時施加壓力載荷和熱載荷，造成葉片產(chǎn)生變形。圖3為425 K工況下放大了80倍的葉片Y方向變形圖，在417 K工況、425 K工況和432 K工況下葉片的最大位移分別是0.107 mm、0.101 mm和0.094 mm，Y向位移分別是0.027 3 mm、0.032 9 mm和0.038 6 mm。由圖3可知，葉片在復(fù)合載荷的作用下，熱流道的Y方向尺寸變大，使葉片熱流道的極限位置與其相對應(yīng)的平直段間的距離減小，從而使有效通流面積減小。同時，隨著蒸汽壓力的增大，葉片的合位移量逐漸減少，而Y方向位移逐漸增大。雖然任意兩個葉片的變形差異很小，但是在位移累積的前提下，由于相鄰葉片之間交錯排列，突前葉片的任意曲線段的位移總是大于與其相對的置后葉片的曲線段的位移，進而導(dǎo)致流道的有效通流面積呈現(xiàn)“增大—減小—增大”的變化趨勢。這種變化與氣體受熱而比容逐漸增大的變化趨勢明顯不一致，雖然與變形前相對均勻的流道相比，流道的變化并不是很大，但是流道的擴張與收縮在流道內(nèi)造成了更大的不可逆損失，其內(nèi)部的擾動更加劇烈，引起流道內(nèi)湍動能明顯增加，擴展段內(nèi)的擾動較未變形前傳遞得更遠，使擴展段內(nèi)相對高壓區(qū)域面積增大，低壓區(qū)域面積減小[5]。

不同工況下的總壓損失如表2所示?？梢钥闯觯谒俣认嗤那闆r下，總壓損失隨載荷的變化并不明顯。若引入結(jié)構(gòu)阻力損失這一概念，即計算相同工況、相同速度條件下葉片變形前后總壓損失的差值，可知由結(jié)構(gòu)變形引起的總壓損失最大只有18 Pa，結(jié)構(gòu)阻力損失只占基準(zhǔn)狀態(tài)下總壓損失的0.4%左右。

由圖5可知，流道變窄引起沿程阻力的增大，使得進口處葉片變形以后形成的高壓區(qū)域較未變形葉片在進口處形成的高壓區(qū)域發(fā)生了一定的變化，進口總壓由856 Pa增大到864 Pa，總壓損失有所增大。

4 結(jié)語

本研究通過ANSYS和Fluent對常見進氣濾清器在特殊情況下使用的加熱級進行流場、應(yīng)力場和溫度場的耦合分析，得到了加熱級在多種載荷作用下的具體信息。結(jié)果表明，熱阻力損失是加熱級總壓損失增大的主要原因，結(jié)構(gòu)阻力損失對總壓損失的影響很小，且葉片Y方向的變形所造成的流道收窄是變形前后結(jié)構(gòu)阻力損失變化的主要原因。

參考文獻：

[1]黃唐.二維流場、熱、結(jié)構(gòu)一體化數(shù)值模擬[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2000（1）：115-119.

[2]凌濤.基于ANSYS的熱-流耦合分析[J].科技咨詢導(dǎo)報，2007（17）：54-55.

[3]劉振俠，張麗芬.采用熱-流耦合方法對氣冷渦輪葉片換熱的計算[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007（2）：315-319.

[4]HAN Z X，DENNIS B H，DULIKRAVICH G S.Simultaneous prediction of external flow-field and temperature in internally cooled 3-D turbine blade material[J].International Journal of Turbo and Jet Engines，2001（1）：47-58.

[5]陳懋章.粘性流體動力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002：13.

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