兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 2053-2065.doi: 10.12382/bgxb.2022.0305
收稿日期:
2022-04-26
上线日期:
2023-07-30
通讯作者:
基金资助:
ZHI Ruoyang, LUO Kai, WANG Hanwei, QIN Kan*()
Received:
2022-04-26
Online:
2023-07-30
摘要:
增加涡轮机入口温度有助于提升涡轮机性能,然而受限于材料的耐热强度,一般需采取额外的冷却措施。用于水下航行器的部分进气涡轮机具有短叶片及小尺寸的特点,使其难以设置复杂冷却结构。利用航行器外部海水作为冷却介质,采用射流冲击方式冷却涡轮盘及叶栅,通过数值仿真研究了不同喷水量和喷水位置下的涡轮机性能。研究结果表明:轴向喷水为0.2kg/s时,轮盘前表面的最高温度降低40.1%,后表面的最高温度降低28.6%,轮盘的最大热应力降低33.8%;轴向喷水0.2kg/s的同时加入径向喷水0.1kg/s,轮盘前表面的最高温度降低46.2%,后表面的最高温度降低33.8%,轮盘的最大热应力降低36.7%;在相同径向喷水量下,涡轮机的效率以及轮盘前后表面的温度和热应力与轴向方向的冷却水量负相关。所得研究结果可为水下涡轮机的喷水冷却策略提供参考。
智若阳, 罗凯, 王瀚伟, 秦侃. 喷水量及喷水位置对部分进气轴向涡轮机性能影响特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2053-2065.
ZHI Ruoyang, LUO Kai, WANG Hanwei, QIN Kan. Effects of Injection Mass Flow Rate and Position on the Performance of Partial Admission Axial Impulse Turbines with Jet Impingement Cooling[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(7): 2053-2065.
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
喷管个数 | 5 | 叶片安放角/(°) | 25 |
喷管喉部直径/mm | 0.56 | 叶片个数 | 75 |
喷管出口直径/mm | 1.27 | 叶片弦长/mm | 1.88 |
喷管斜切角/(°) | 15 | 叶片高度/mm | 1.52 |
喷管扩张角/(°) | 8 | 叶片边缘厚度/mm | 0.08 |
叶片截距/mm | 1.08 | 涡轮中径/mm | 25.76 |
表1 Kiely等[20]轴向涡轮机的参数
Table 1 Parameters of the axial turbine from Kiely, et al[20]
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
喷管个数 | 5 | 叶片安放角/(°) | 25 |
喷管喉部直径/mm | 0.56 | 叶片个数 | 75 |
喷管出口直径/mm | 1.27 | 叶片弦长/mm | 1.88 |
喷管斜切角/(°) | 15 | 叶片高度/mm | 1.52 |
喷管扩张角/(°) | 8 | 叶片边缘厚度/mm | 0.08 |
叶片截距/mm | 1.08 | 涡轮中径/mm | 25.76 |
边界条件 | 数值 |
---|---|
涡轮机转速/(r·min-1) | 435000 |
入口总温/K | 1255 |
入口总压/MPa | 2.068 |
出口静压/MPa | 0.035 |
表2 Kiely等[20]轴向涡轮机的边界条件
Table 2 Boundary conditions of the axial turbine from Kiely, et al[20]
边界条件 | 数值 |
---|---|
涡轮机转速/(r·min-1) | 435000 |
入口总温/K | 1255 |
入口总压/MPa | 2.068 |
出口静压/MPa | 0.035 |
实验结果和仿真结果 | 输出功率/kW | 内效率/% |
---|---|---|
实验结果 | 2.00 | 62.9 |
仿真结果 | 1.95 | 61.4 |
表3 仿真结果与实验参数对比
Table 3 Comparison between simulation results and experimental parameters
实验结果和仿真结果 | 输出功率/kW | 内效率/% |
---|---|---|
实验结果 | 2.00 | 62.9 |
仿真结果 | 1.95 | 61.4 |
边界条件 | 实验1 | 仿真1 | 实验2 | 仿真2 | 实验3 | 仿真3 |
---|---|---|---|---|---|---|
喷管入口压力 | 1 | 输入 | 0.417 | 输入 | 0.542 | 输入 |
喷管入口温度 | 1 | 输入 | 1.038 | 输入 | 0.962 | 输入 |
出口静压 | 1 | 输入 | 0.692 | 输入 | 0.692 | 输入 |
涡轮机转速 | 1 | 输入 | 0.5 | 输入 | 0.6 | 输入 |
轴向喷水量 | 1 | 输入 | 0.75 | 输入 | 0.85 | 输入 |
轴向喷水温度 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
径向喷水量 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
径向喷水温度 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
表4 喷水冷却涡轮的边界条件
Table 4 Boundary conditions of turbine with jet impingement
边界条件 | 实验1 | 仿真1 | 实验2 | 仿真2 | 实验3 | 仿真3 |
---|---|---|---|---|---|---|
喷管入口压力 | 1 | 输入 | 0.417 | 输入 | 0.542 | 输入 |
喷管入口温度 | 1 | 输入 | 1.038 | 输入 | 0.962 | 输入 |
出口静压 | 1 | 输入 | 0.692 | 输入 | 0.692 | 输入 |
涡轮机转速 | 1 | 输入 | 0.5 | 输入 | 0.6 | 输入 |
轴向喷水量 | 1 | 输入 | 0.75 | 输入 | 0.85 | 输入 |
轴向喷水温度 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
径向喷水量 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
径向喷水温度 | 1 | 输入 | 1 | 输入 | 1 | 输入 |
边界条件 | 实验1 | 仿真1 | 实验2 | 仿真2 | 实验3 | 仿真3 |
---|---|---|---|---|---|---|
输出功率 | 1 | 1.005 | 0.233 | 0.248 | 0.417 | 0.462 |
测点温度 | 1 | 1.047 | 0.776 | 0.790 | 0.768 | 0.737 |
表5 仿真结果与喷水冷却实验结果对比
Table 5 Comparison between simulation and experimental results of jet impingement cooling
边界条件 | 实验1 | 仿真1 | 实验2 | 仿真2 | 实验3 | 仿真3 |
---|---|---|---|---|---|---|
输出功率 | 1 | 1.005 | 0.233 | 0.248 | 0.417 | 0.462 |
测点温度 | 1 | 1.047 | 0.776 | 0.790 | 0.768 | 0.737 |
工况 | 轴向喷水量/(kg·s-1) | 径向喷水量/(kg·s-1) |
---|---|---|
1 | 0 | 0 |
2 | 0.2 | 0 |
3 | 0.1 | 0.1 |
4 | 0.2 | 0.1 |
5 | 0.3 | 0.1 |
表6 冷却水的边界条件
Table 6 Boundary conditions of cooling water
工况 | 轴向喷水量/(kg·s-1) | 径向喷水量/(kg·s-1) |
---|---|---|
1 | 0 | 0 |
2 | 0.2 | 0 |
3 | 0.1 | 0.1 |
4 | 0.2 | 0.1 |
5 | 0.3 | 0.1 |
流体域 | 边界条件 | 固体域 | 边界条件 |
---|---|---|---|
入口总压/MPa | 19 | 轴面温度/K | 340.65 |
入口总温/K | 1373 | 端面 | 绝热,固定面 |
出口静压/MPa | 0.5 | 耦合面 | 对流换热系数 由流体域得出 |
喷管 | 静止 | 密度/(kg·m-3) | 8226 |
出口段 | 静止 | 杨氏模量/GPa | 191.72 |
交界面 | 冻结转子法 | 泊松比 | 0.4 |
耦合面 | 温度分布由固体 域得出,无滑移 | 热膨胀系数/ K-1 | 1.2596×10-6 |
其他壁面 | 绝热,无滑移 | 导热系数/ (W·m-1·K-1) | 13.2729 |
绝热指数 | 1.222 | ||
气体常数/ (kJ·kg-1·K-1) | 0.369 8 |
表7 部分进气涡轮机边界条件
Table 7 Boundary conditions
流体域 | 边界条件 | 固体域 | 边界条件 |
---|---|---|---|
入口总压/MPa | 19 | 轴面温度/K | 340.65 |
入口总温/K | 1373 | 端面 | 绝热,固定面 |
出口静压/MPa | 0.5 | 耦合面 | 对流换热系数 由流体域得出 |
喷管 | 静止 | 密度/(kg·m-3) | 8226 |
出口段 | 静止 | 杨氏模量/GPa | 191.72 |
交界面 | 冻结转子法 | 泊松比 | 0.4 |
耦合面 | 温度分布由固体 域得出,无滑移 | 热膨胀系数/ K-1 | 1.2596×10-6 |
其他壁面 | 绝热,无滑移 | 导热系数/ (W·m-1·K-1) | 13.2729 |
绝热指数 | 1.222 | ||
气体常数/ (kJ·kg-1·K-1) | 0.369 8 |
工况 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
---|---|---|---|---|---|
效率/% | 51.10 | 48.30 | 48.56 | 47.65 | 46.71 |
表8 喷水涡轮的性能对比
Table 8 Performance comparison of turbines with jet impingement cooling
工况 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
---|---|---|---|---|---|
效率/% | 51.10 | 48.30 | 48.56 | 47.65 | 46.71 |
工况 | c1/ (m·s-1) | w1/ (m·s-1) | c2/ (m·s-1) | w2/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 1380.49 | 963.16 | 445.65 | 784.09 |
2 | 1315.12 | 896.63 | 383.01 | 716.56 |
3 | 1334.54 | 916.73 | 396.60 | 731.89 |
4 | 1307.65 | 888.85 | 379.52 | 713.20 |
5 | 1238.68 | 820.21 | 362.01 | 693.70 |
表9 工质进出口的速度
Table 9 Velocities at the inlet and outlet of the working medium
工况 | c1/ (m·s-1) | w1/ (m·s-1) | c2/ (m·s-1) | w2/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 1380.49 | 963.16 | 445.65 | 784.09 |
2 | 1315.12 | 896.63 | 383.01 | 716.56 |
3 | 1334.54 | 916.73 | 396.60 | 731.89 |
4 | 1307.65 | 888.85 | 379.52 | 713.20 |
5 | 1238.68 | 820.21 | 362.01 | 693.70 |
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