结构变形对滤清器加热级总压损失的影响研究

韩芳明　徐礼鹏

摘 要：本文利用ANSYS有限元软件，对滤清器加热级进行了耦合场分析，得到了结构变形对加热级总压损失的影响程度。结果表明：热阻力损失是加热级总压损失增大的主要原因，流道收窄是结构阻力损失的主要原因，但对总压损失的影响很小。本文为研究变形对滤清器阻力特性的影响做出了初步的探索。

关键词：结构变形;滤清器;总压损失

中图分类号：U664.131 文献标识码：A 文章编号：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

在高寒地区工作的燃气轮机进口处，常加装防冰加热设备，利用加热级内部腔道内的高温流体加热进入燃气轮机的低温空气，提高燃气轮机的进气温度，以避免进气道结冰引起的阻力增加和压气机喘振等问题。国内外很多学者已将热流耦合方法应用于相关领域中。黄唐等[1]进行了二维流场、热、结构一体化的数值模拟，给出了一种把流场、热、结构耦合起来的数值模拟方法。凌涛[2]基于ANSYS的热-流耦合分析，用有限单元法模拟流场对温度场的影响。刘振侠等[3]采用热流耦合方法对扰流前缘为钝形平板的二维层流流动进行了模拟，验证了热流耦合方法的可靠性。HAN等[4]对涡轮叶片内部的温度场和流场进行了模拟预测分析，对后续的课题研究产生了巨大影响。本研究以ANSYS为工具，对进气滤清器的加热级进行流场、应力场和温度的综合分析，研究结构变形和加热过流空气对加热级阻力特性的影响，为加热级的进一步研究提供一定参考。

1 滤清器加热级模型建立

相邻加热级叶片之间交错排列，气流流程约为160 mm。采用结构化四边形网格与非结构化三角形网格相结合的划分方案，在扩展段采用结构化（映射）四边形网格，在空气流通域和加热级部件本体用非结构化（自由）三角形网格，如图1所示。

2 滤清器加热级的计算假设及边界条件

由于加热级叶片的热流道內通有饱和蒸汽，其流动速度超过某一特定值后，热流道内的蒸汽只会向壁面释放热量，而温度保持恒定，故假设与壁面接触的饱和水蒸气不发生相变，且壁面为恒温热源。在ANSYS耦合场分析中，热流道在不同工况下分别通有3个、4个和5个标准大气压的饱和蒸汽，对应的温度分别为417 K、425 K和432 K，且加热级叶片的排布满足周期性边界条件。

3 计算结果分析

将加热级的总压损失分为3部分：固有阻力损失、热阻力损失和结构阻力损失。表1列举了不同速度下流场的总压损失。

在忽略加热级叶片因热载荷和压力载荷而产生结构变形的情况下，利用Fluent模块计算不同温度和流速下的总压损失，如表1所示。可以看出，在加热级叶片加热流道内过流空气的情况下，加热级的总压损失有明显增加，增长13.5%左右，而热阻力损失在417 K工况、425 K工况和432 K工况中变化不大。

图2为10 m/s速度下不同工况的总压对比图。由图2可知：417 K工况下的总压沿流动方向明显增大，在加热引起的热阻力损失作用下，加热级入口处的总压明显高于加热前245 K工况下的总压。结合表1可知，在10 m/s条件下，加热使加热级的总压损失增大了75 Pa。但在不同加热工况下，加热级流道内的总压分布无明显差异，只有小幅度的总压变化，导致扩展段内部分区域的总压分布产生了较小的变化。432 K工况在扩展段的低压与417 K工况的低压相比略有减小，同时，432 K工况的热流道内的热载荷较417 K工况略大，造成了更大的热阻力损失，使加热级前迎风面附近的相对低压区变小，并集中在叶片平直段的附近，但热载荷的波动对进口没有明显影响。结合表1可知，在10 m/s条件下，叶片内壁面的热载荷提高15 K，只增大了6 Pa的热阻力损失。由上述分析可知，在加热级中加热过流空气时，总压沿流动方向降低，当饱和蒸汽温度在425 K左右小幅波动时，温度不会对总压损失产生明显影响。

本研究所提及的加热级叶片与常见的滤清器叶片的最大区别在于：叶片中空，形成了热流道，饱和蒸汽在其中對叶片同时施加压力载荷和热载荷，造成叶片产生变形。图3为425 K工况下放大了80倍的叶片Y方向变形图，在417 K工况、425 K工况和432 K工况下叶片的最大位移分别是0.107 mm、0.101 mm和0.094 mm，Y向位移分别是0.027 3 mm、0.032 9 mm和0.038 6 mm。由图3可知，叶片在复合载荷的作用下，热流道的Y方向尺寸变大，使叶片热流道的极限位置与其相对应的平直段间的距离减小，从而使有效通流面积减小。同时，随着蒸汽压力的增大，叶片的合位移量逐渐减少，而Y方向位移逐渐增大。虽然任意两个叶片的变形差异很小，但是在位移累积的前提下，由于相邻叶片之间交错排列，突前叶片的任意曲线段的位移总是大于与其相对的置后叶片的曲线段的位移，进而导致流道的有效通流面积呈现“增大—减小—增大”的变化趋势。这种变化与气体受热而比容逐渐增大的变化趋势明显不一致，虽然与变形前相对均匀的流道相比，流道的变化并不是很大，但是流道的扩张与收缩在流道内造成了更大的不可逆损失，其内部的扰动更加剧烈，引起流道内湍动能明显增加，扩展段内的扰动较未变形前传递得更远，使扩展段内相对高压区域面积增大，低压区域面积减小[5]。

不同工况下的总压损失如表2所示。可以看出，在速度相同的情况下，总压损失随载荷的变化并不明显。若引入结构阻力损失这一概念，即计算相同工况、相同速度条件下叶片变形前后总压损失的差值，可知由结构变形引起的总压损失最大只有18 Pa，结构阻力损失只占基准状态下总压损失的0.4%左右。

由图5可知，流道变窄引起沿程阻力的增大，使得进口处叶片变形以后形成的高压区域较未变形叶片在进口处形成的高压区域发生了一定的变化，进口总压由856 Pa增大到864 Pa，总压损失有所增大。

4 结语

本研究通过ANSYS和Fluent对常见进气滤清器在特殊情况下使用的加热级进行流场、应力场和温度场的耦合分析，得到了加热级在多种载荷作用下的具体信息。结果表明，热阻力损失是加热级总压损失增大的主要原因，结构阻力损失对总压损失的影响很小，且叶片Y方向的变形所造成的流道收窄是变形前后结构阻力损失变化的主要原因。

参考文献：

[1]黄唐.二维流场、热、结构一体化数值模拟[J].空气动力学学报，2000（1）：115-119.

[2]凌涛.基于ANSYS的热-流耦合分析[J].科技咨询导报，2007（17）：54-55.

[3]刘振侠，张丽芬.采用热-流耦合方法对气冷涡轮叶片换热的计算[J].西北工业大学学报，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]陈懋章.粘性流体动力学基础[M].北京：高等教育出版社，2002：13.

2627501186237