Тепловой анализ напряжения струи Engine Блейда турбины
Этот пример показывает, как вычислить тепловое напряжение и деформацию блейда турбины в ее установившемся рабочем условии. Блейд имеет внутренние каналы охлаждения. Холодный воздух, протекающий через каналы, поддерживает температуру блейда в пределах предела для ее материала. Эта функция распространена в современных блейдах.
Турбина является компонентом реактивного двигателя. Он отвечает за извлечение энергии из высокотемпературного и высоконапорного газа, производимого в ёмкости сгорания, и преобразование его во вращательное движение для создания тяги. Турбина является радиальным массивом блейдов, обычно изготовленным из никелевых сплавов. Эти сплавы сопротивляются чрезвычайно высоким температурам газов. При таких температурах материал значительно расширяется, создавая механические напряжения в соединениях и значительные деформации в несколько миллиметров. Чтобы избежать механического отказа и трения между советом блейда и корпусом турбины, проект блейда должна учитывать напряжения и деформации.
Пример показывает трехэтапный рабочий процесс:
Выполните структурный анализ, учитывающий только давление окружающих газов, игнорируя при этом термальные эффекты.
Вычислите тепловое напряжение, игнорируя давление.
Объедините давление и тепловое напряжение.
Загрузка давлением
Блейд испытывает высокое давление от окружающих газов. Вычислите напряжение, вызванное только этим давлением.
Сначала создайте статическую несущую модель.
smodel = createpde('structural','static-solid');
Импортируйте и постройте график геометрии, отображая метки граней.
importGeometry(smodel,'Blade.stl'); figure pdegplot(smodel,'FaceLabels','on','FaceAlpha',0.5)
Сгенерируйте mesh с максимальным размером элемента 0.01.
msh = generateMesh(smodel,'Hmax',0.01);Задайте модуль Юнга, коэффициент Пуассона и коэффициент теплового расширения для сплава на основе никеля (NIMONIC 90).
E = 227E9; % in Pa CTE = 12.7E-6; % in 1/K nu = 0.27; structuralProperties(smodel,'YoungsModulus',E, ... 'PoissonsRatio',nu, ... 'CTE',CTE);
Укажите, что грань корня, которая находится в контакте с другим металлом, фиксирована.
structuralBC(smodel,'Face',3,'Constraint','fixed');
Определите нагрузку на давление и стороны всасывания блейда. Это давление обусловлено газом высокого давления, окружающим эти стороны блейда.
p1 = 5e5; %in Pa p2 = 4.5e5; %in Pa structuralBoundaryLoad(smodel,'Face',11,'Pressure',p1); % Pressure side structuralBoundaryLoad(smodel,'Face',10,'Pressure',p2); % Suction side
Решите структурную задачу.
Rs = solve(smodel);
Постройте график напряжения фон Мизеса и перемещения. Задайте масштабный коэффициент деформации 100, чтобы лучше визуализировать деформацию.
figure pdeplot3D(smodel,'ColorMapData',Rs.VonMisesStress, ... 'Deformation',Rs.Displacement, ... 'DeformationScaleFactor',100) view([116,25]);
Максимальное напряжение составляет около 100 МПа, что значительно ниже предела упругости.
Тепловое Напряжение
Определите распределение температуры и вычислите напряжение и деформацию только из-за теплового расширения. Эта часть примера игнорирует давление.
Во-первых, создайте тепловую модель для статического теплового анализа.
tmodel = createpde('thermal','steadystate');
Импортируйте ту же геометрию и используйте тот же mesh, что и для несущего анализа.
importGeometry(tmodel,'Blade.stl');
tmodel.Mesh = msh;Принимая, что блейд изготовлен из сплава на основе никеля (NIMONIC 90), определите теплопроводность.
kapp = 11.5; % in W/m/K thermalProperties(tmodel,'ThermalConductivity',kapp);
Конвективная теплопередача между окружающей жидкостью и гранями блейда определяет граничные условия для этой проблемы. Коэффициент конвекции больше, где скорость газа выше. Кроме того, температура газа отличается вокруг разных граней. Температура внутреннего охлаждающего воздуха составляет , в то время как температура на стороне давления и всасывания .
% Interior cooling thermalBC(tmodel,'Face',[15 12 14], ... 'ConvectionCoefficient',30, ... 'AmbientTemperature',150); % Pressure side thermalBC(tmodel,'Face',11, ... 'ConvectionCoefficient',50, ... 'AmbientTemperature',1000); % Suction side thermalBC(tmodel,'Face',10, ... 'ConvectionCoefficient',40, ... 'AmbientTemperature',1000); % Tip thermalBC(tmodel,'Face',13, ... 'ConvectionCoefficient',20, ... 'AmbientTemperature',1000); % Base (exposed to hot gases) thermalBC(tmodel,'Face',1, ... 'ConvectionCoefficient',40, ... 'AmbientTemperature',800); % Root in contact with hot gases thermalBC(tmodel,'Face',[6 9 8 2 7], ... 'ConvectionCoefficient',15, ... 'AmbientTemperature',400);
Граничное условие для граней корня, контактирующих с другим металлом, является тепловым контактом, который может быть смоделирован как конвекция с очень большим коэффициентом (вокруг для металл-металлического контакта).
% Root in contact with metal thermalBC(tmodel,'Face',[3 4 5], ... 'ConvectionCoefficient',1000, ... 'AmbientTemperature',300);
Решить тепловую модель.
Rt = solve(tmodel);
Постройте график распределения температуры. Температура между советом и корнем колеблется примерно кому . Температура наружного газа . Внутреннее охлаждение эффективно: оно значительно понижает температуру.
figure
pdeplot3D(tmodel,'ColorMapData',Rt.Temperature)
view([130,-20]);
Теперь создайте статическую структурную модель, чтобы вычислить напряжение и деформацию из-за теплового расширения.
tsmodel = createpde('structural','static-solid');
Импортируйте ту же геометрию и используйте те же сетку и несущие свойства материала, что и для несущего анализа.
importGeometry(tsmodel,'Blade.stl'); tsmodel.Mesh = msh; structuralProperties(tsmodel,'YoungsModulus',E, ... 'PoissonsRatio',nu, ... 'CTE',CTE);
Задайте ссылку температуру.
tsmodel.ReferenceTemperature = 300; %in degrees C structuralBodyLoad(tsmodel,'Temperature',Rt);
Задайте граничное условие.
structuralBC(tsmodel,'Face',3,'Constraint','fixed');
Решите проблему теплового напряжения.
Rts = solve(tsmodel);
Постройте график напряжения фон Мизеса и перемещения. Задайте масштабный коэффициент деформации 100, чтобы лучше визуализировать деформацию. Напряжение концентрируется в ограниченном корне, потому что он не может свободно расширяться, а также в соединении между блейдом и корнем.
figure('units','normalized','outerposition',[0 0 1 1]); pdeplot3D(tsmodel,'ColorMapData',Rts.VonMisesStress, ... 'Deformation',Rts.Displacement, ... 'DeformationScaleFactor',100) caxis([0, 200e6]) view([116,25]);
Оцените перемещение на совете. При проекте крышки это перемещение должно учитываться, чтобы избежать трения между крышкой и блейдом.
max(Rts.Displacement.Magnitude)
ans = 0.0015
Комбинированная загрузка давлением и тепловое напряжение
Вычислите напряжение и деформации, вызванные комбинацией эффектов тепла и давления.
Используйте ту же модель, что и для анализа тепловых напряжений. Добавьте нагрузку давления на стороны давления и всасывания блейда. Это давление обусловлено газом высокого давления, окружающим эти стороны блейда.
structuralBoundaryLoad(tsmodel,'Face',11,'Pressure',p1); % Pressure side structuralBoundaryLoad(tsmodel,'Face',10,'Pressure',p2); % Suction side
Решить модель.
Rc = solve(tsmodel);
Постройте график напряжения фон Мизеса и перемещения. Задайте масштабный коэффициент деформации 100, чтобы лучше визуализировать деформацию.
figure('units','normalized','outerposition',[0 0 1 1]); pdeplot3D(tsmodel,'ColorMapData',Rc.VonMisesStress, ... 'Deformation',Rc.Displacement, ... 'DeformationScaleFactor',100) caxis([0, 200e6]) view([116,25]);
Рассчитать максимальное напряжение и максимальное перемещение. Перемещение почти то же, что и для анализа тепловых напряжений, в то время как максимальное напряжение, 854 МПа, значительно выше.
max(Rc.VonMisesStress)
ans = 9.8378e+08
max(Rc.Displacement.Magnitude)
ans = 0.0015