شبیه سازی تنش حرارتی در تیغه استاتور توربین
ما می توانیم از نرم افزارهای شبیه سازی برای درک و بهینه سازی طراحی اجزا استفاده کنیم. هر شبیه سازی متکی بر مدلی است که بازنمایی واقعیتی است که برنامه در آن قرار دارد. بیایید نگاهی به تحلیل تنش حرارتی مدل تیغه استاتور توربین از گالری مدل خود بیندازیم و اثرات انتقال حرارت و تنش حرارتی را که در این کاربرد بسیار مهم هستند، بررسی کنیم.
مدلسازی انتقال حرارت کارآمد
برای محاسبات سریع، جنبه انتقال حرارت مدل تیغه استاتور توربین را می توان از پیش تعریف کرد و به طور خاص برای آن حل نشد. توجه داشته باشید که سطح مدلسازی نشاندادهشده در اینجا میتواند هدف نهایی یک مطالعه باشد، یا میتواند به عنوان اولین گام در دریافت نمای کلی از مدل و تأیید سازگاری همه تنظیمات استفاده شود. صرف نظر از اینکه کدام مورد به شما مربوط می شود، من همیشه توصیه می کنم با نسخه ای از یک مدل شروع کنید که در آن به راحتی می توان رفتار را با مجموعه های پارامترهای مختلف تأیید کرد. همچنین اگر مدل برای بازگرداندن نتیجه به ساعت ها یا روزها نیاز نداشته باشد، همیشه بهتر است. (اینگونه محاسبات باید فقط پس از تایید نسخه های اولیه مدل به عنوان شبیه سازی نهایی قبل از ساخت یا به دلایل تضمین کیفیت انجام شود.)
هندسه تیغه استاتور با جزئیات نصب، تیغه بین آنها و مجرای خنک کننده داخل تیغه.
مدلسازی تنش حرارتی در تیغه استاتور توربین
بیایید از تحلیل تنش حرارتی یک مدل تیغه استاتور توربین به عنوان نمونه ای استفاده کنیم که چگونه یک مدل کارآمد می تواند با تعریف چندین جزئیات مدل سازی دقیق باقی بماند . استاتور از مجرای داخل تیغه تشکیل شده است که برای عبور سیال از داخل استاتور به منظور خنک کردن سازه استفاده می شود. همچنین گرما بین محیط اطراف و سطوح استاتور به دلیل اینکه تیغه استاتور در معرض سرعت های بالا قرار می گیرد، با سرعت قابل توجهی منتقل می شود.
کلید تسریع محاسبات مدل، استفاده از همبستگی های اعداد ناسلت متوسط - به جای شبیه سازی جریان پیچیده در مجرا و اطراف تیغه – برای تخمین ضریب انتقال حرارت بین سیالات و سازه است. با کمی تجربه یا مرور ادبیات، می توانید همبستگی های متوسط عدد ناسلت را پیدا کنید که نمایش مناسبی از فرآیند تبادل حرارت ارائه می دهد.
عبارات از پیش تعریف شده و تعریف شده توسط کاربر
در مدل تیغه استاتور، برخی از ضرایب تبادل حرارتی با استفاده از شرایط کلاسیک ایجاد میشوند، در حالی که برخی از قسمتهای مدل در هیچ پیکربندی کلاسیک مناسب نیستند. در عوض، این بخشها به فرمولبندیهای مناسبی نیاز دارند که برای موقعیتهای آنالوگ تایید شدهاند. برای شرایط کلاسیک، ماژول انتقال حرارت شما را با همبستگی های از پیش تعریف شده مجهز می کند. برای قسمت هایی که نیاز به فرمولاسیون مناسب دارند، می توانید عبارت خاص مورد نیاز خود را مستقیماً در نرم افزار وارد کنید.
راه اندازی مدل
سمت فشار (جلو مقعر تیغه) و سمت مکش (پشت تیغه) به صورت دو صفحه مسطح با استفاده از ضریب انتقال حرارت موضعی برای همرفت اجباری خارجی تقریبی شده اند . این همبستگی های Nusselt از پیش تعریف شده اند و می توانند از یک لیست انتخاب شوند. سپس رابط ورودیهایی را برای کمیتهای مورد نیاز برای تعریف همبستگی فراهم میکند: ماهیت سیال، حالت آن (دما و فشار)، و سرعت آن. گازهای احتراق به صورت هوا در 30 بار و 1100 کلوین تقریب میشوند. سرعت متناظر صوت تقریباً 650 متر بر ثانیه است. یک عدد ماخ معمولی در سمت فشار 0.7 و در سمت مکش 0.45 است. این تقریباً معادل 450 متر بر ثانیه است (به نام U_upدر مدل) در سمت فشار، و 300 متر بر ثانیه ( در مدل U_down نامیده می شود) در سمت مکش. برای دقت بیشتر، ما از ضریب انتقال محلی به جای ضریب میانگین استفاده می کنیم. بنابراین، علاوه بر کمیت های قبلی، این امر مستلزم موقعیتی در امتداد مرز است که با استفاده از سیستم مختصات جهانی تعریف می شود.
شکل زیر تمام این تنظیمات وارد شده به رابط فیزیک از پیش تعریف شده را نشان می دهد:
دیوارهای نصب در مجاورت تیغههای استاتور مانند خود استاتور عمل میکنند، اما با سرعت جریان آزاد که روی 350 متر بر ثانیه تنظیم شده است.
تیغه همچنین با هوای جریان یافته از طریق مجرای خنک کننده، که در زیر نشان داده شده است، تبادل گرما می کند. هندسه کانال ساده شده است و شامل جزئیات نمی شود، مانند دنده هایی که برای افزایش سطح خنک کننده استفاده می شود. با این نمایش، میتوانیم یک ضریب انتقال حرارت معادل را با کمک همبستگی اعداد ناسلت متوسط از پایاننامه جی. بردبرگ « مدلسازی توربولانس برای خنکسازی داخلی پرههای توربین گاز » محاسبه کنیم. در این حالت دمای خنک کننده T_cool = 800 K است.
مجرای خنک کننده داخلی تیغه.
از آنجایی که این همبستگی کاملاً اصلی است، در نرم افزار از پیش تعریف نشده است. البته این یک مشکل نیست، زیرا می توان هر عبارت تعریف شده توسط کاربر را مستقیماً در پنجره تنظیمات مدل وارد کرد. در واقع، هر عبارت جبری را می توان به همان راحتی که می توان روی یک تکه کاغذ نوشت، در COMSOL وارد کرد. در اینجا می توانید ببینید که چگونه ضریب انتقال حرارت با ترکیب پارامترهای مختلف در شکل زیر تعریف شده است:
در خود تیغه، انتقال حرارت توسط رسانش به عنوان فیزیک عامل تعریف شده است. فرض بر این است که تیغه از آلیاژ M-152 ساخته شده است، که یک آلیاژ فولاد کروم 12 درصد با استحکام کششی بالا است (به راهنمای مهندسی توربین گاز MP Boyce مراجعه کنید ). توجه داشته باشید که خواص ساختاری و سایر خواص مواد آلیاژ M-152 در کتابخانه مواد COMSOL موجود است .
نتایج تجزیه و تحلیل حرارتی و تنش
مدل استاتور توربین شامل مدل انتقال حرارتی است که در بالا توضیح داده شد، همراه با تجزیه و تحلیل مکانیک سازه برای بازگشت تنش حرارتی . پیش از این، من مدلسازی را بهعنوان نمایش واقعیت با سطح دقیق جزئیات برای به دست آوردن اطلاعات مرتبط در مورد برنامه تعریف کردم. پس چه اطلاعاتی در اینجا به دست آوردیم؟
تجزیه و تحلیل حرارتی در درجه اول پارامترهای جریان را در نظر می گیرد که می تواند با جزئیات بررسی شود. با نگاهی به مشخصات دما در تصویر زیر، می بینیم که لبه عقب به دمایی نزدیک به دمای گازهای احتراق می رسد. این نشان می دهد که سرمایش تحمیلی از طریق مجرا ممکن است ناکافی باشد، یا به دلیل نرخ اجباری سیال خنک کننده، دمای سیال، یا طراحی واقعی خنک کننده.
میدان دما روی سطح تیغه
برای تحلیل استرس، نتایج دو چیز جالب را نشان می دهد. اولین مورد در مورد طراحی تیغه است: هندسه وارداتی حاوی زوایای تیز است که به عنوان منجر به سطوح بالایی از تنش در محیط اطراف خود می شود. این بدان معنی است که هندسه باید دوباره کار شود تا از شر این مصنوعات خلاص شود، زیرا تیغه استاتور ساخته شده تقریباً مطمئناً آنها را ندارد. با این حال، با وجود این، تجزیه و تحلیل ساختاری هنوز نشان می دهد که حداکثر جابجایی حدود 2 میلی متر است که یک شرایط عملیاتی قابل قبول است.
بزرگی جابجایی و تغییر شکل (تقویت 10 برابر) تیغه.
ثانیاً، حداکثر تنش ها در اطراف ناحیه مجرای خنک کننده قرار دارند که در آن دیفرانسیل های حرارتی بالاترین هستند. این نشان می دهد که فرآیند خنک سازی باید با دقت طراحی شود و نمی توان خودسرانه با کاهش دمای خنک کننده بدون خطر آسیب ساختاری آن را افزایش داد. همچنین نشان می دهد که برای این رژیم کاری، طراحی حرارتی ممکن است از خنک کننده فیلم غافل نشود.
منابع بیشتر
- دانلود مدل: تحلیل تنش حرارتی تیغه استاتور توربین
- پست قبلی وبلاگ: خنک کننده تیغه استاتور توربین و موتورهای هواپیما
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید