专利名称：一种防冰叶片的设计计算方法
技术领域：
本发明涉及一种航空燃气轮机的计算方法，具体涉及一种涡轮轴 发动机压气机零级防冰叶片的设计计算方法。
技术背景航空燃气轮机压气机零级叶片直接与大气接触，大气经压气机零 级叶片进入压气机，在寒冷的天气，大气中存在的液态水撞击在压气 机零级叶片上结冰，压气机零级叶片上结冰会影响发动机的正常工 作，严重时会损害发动机，影响飞行安全。通常是引入一定热气流来 防止压气机零级叶片结冰。叶片内部热气流道、热气流量是由试验确 定，设计周期长，费用高。为了縮短设计周期和费用，这就需要一种 叶片防冰设计计算方法，完成叶片防冰结构的修改、性能分析的叶片 防冰设计计算。 发明内容本发明的目的是提供一种设计周期短，费用低的叶片防冰设计计 算方法。本发明的防冰叶片设计计算方法，该计算方法步骤如下-1、 建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部 独立流动单元和弓I气管路连接构成流路网络图；2、 流量计算对于任一流动节点，空气流量计算公式为
式中《—一与节点/相连的各分支的质量流量的代数值 3、水撞击率计算
水撞击率是叶片前缘圆、叶盆、叶背和后缘圆局部水撞击率的总 和，局部水撞击率计算式
<formula>formula see original document page 5</formula>
式中&密度，&速度，局部水撞击效率，A微元面积, ^o水滴间距 4、叶片外换热系数计算
叶片外换热系数包括叶片前缘、叶盆、叶背和后缘圆局部换热系数， 叶片前缘换热系数的计算公式为
<formula>formula see original document page 5</formula>式中义一空气的导热系数，D—叶片前缘当量直径， Re^—以Z)为特征尺寸的来流空气雷诺数 Pr—空气普朗特数，6—计自前缘驻点的角度
叶盆、叶背和后缘圆换热系数的计算公式为
a = nc 一R、 Pr 式中ne=0.02—0.4， n产0.05—0.7， n2=0.25—0.5义一空气的导热系数，叶片表面弧长
Re,—以s为特征尺寸的来流空气雷诺数，Pr—空气普朗特数
5、 叶片内部热气流腔的换热系数计算
叶片内部热流腔的换热系数计算公式为 ^0.023丄Re，04
式中义一空气的导热系数，Z)e—流通管道的当量直径
Re^—以"为特征长度的雷诺数，Pr—空气普朗特数
6、 叶片热平衡计算
叶片热平衡是叶片表面对流换热热流qi，表面水蒸发散热Q2，附 面层摩擦加热热流Q3，对收集水的加热热流q4，水微滴动能转变来的 加热热流qs，叶片内腔热气流加热热流q的平衡，叶片热平衡计算公 式为
叶片表面温度分布t的计算公式为<formula>formula see original document page 6</formula>7、 计算结果分析
叶片表面温度分布t的最小温度Un的计算公式为
<formula>formula see original document page 6</formula>Un大于设计点值t。时，叶片内部热气流腔为设计合理。
本发明的防冰叶片设计计算方法具有如下优点能快速完成叶片
内部热气流腔的建立和修改、流路网络图的生成、叶片内部热气流腔 的流动、换热和水撞击率计算以及热平衡计算分析，縮短设计周期短，减少了设计费用。
图1是本发明的叶片内部热气流腔和引气管路结构示意图
图2是本发明的流动网络图
图中1、引气管，2、第一腔、3、第二腔，4、第三腔，5、第四 腔，6、第五腔，7、叶片前缘，8、叶片尾缘。
具体实施例方式
建立5个叶片内部热气流腔和一个引气管路1独立流动单元，再 将第一腔2、第二腔2、第三腔4、第四腔6、第五腔7和引气管1连 接成流路网络图，热气流由引气管1按流路网络图的流路依次进入各 热气流腔，再由尾缘8的热气流腔出口排入主流道中。
根据公式1>埘=0 乂=1
计算出热气流腔的流量为
q10=2. 85克/秒q17=5. 86克/秒q18=7. 24克/秒 q14=5. 86克/秒q12=2. 85克/秒
根据公式《,,=Pw * F。 * 计算出水撞击率
1.536克/秒
根据公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
计算出
叶片前缘外换热系数1500瓦沐2K叶盆外换热系数210瓦/米2& 叶背外换热系数225瓦/米2K 叶片后缘换热系数135瓦/米2K 根据公式"=0.023^^4>°4计算出叶片内部热气流腔的换热系数根据公式《二A+《2 1+《4 -《5， t=f (q" q2 ， q3 ， q4 ， q5) 计算出；叶片表面温度分布t (280， 290， ......317K)根据公式t in=i:t计算出叶片表面最小温度tBin=280K，最小温度t^舒设计点t。=273K， 所设计的防冰叶片满足设计要求。
权利要求
1、一种防冰叶片设计计算方法，其特征在于A、建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部独立流动单元和引气管路连接构成流路网络图；B、流量计算对于任一流动节点，空气流量计算公式为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>q</mi> <mi>mij</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow>]]></math></maths>式中qmij-从i流动单元到j流动单元的质量流量的代数值；C、水撞击率计算水撞击率是叶片前缘圆、叶盆、叶背和后缘圆局部水撞击率的总和，局部水撞击率的计算式为W″w，l＝ρw*V0*β<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>d</mi><msub> <mi>Y</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow> <mi>ds</mi></mfrac> </mrow>]]></math></maths>式中ρw密度，V0速度，局部水撞击效率，ds微元面积，dY0水滴间距；D、叶片外换热系数计算叶片外换热系数包括叶片前缘、叶盆、叶背和后缘圆局部换热系数，叶片前缘的计算公式为<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mn>1.14</mn><mfrac> <mi>λ</mi> <mi>D</mi></mfrac><msubsup> <mi>Re</mi> <mi>D</mi> <mn>0.5</mn></msubsup><msup> <mi>Pr</mi> <mn>0.4</mn></msup><mo>[</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>θ</mi> <mn>90</mn></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><mo>]</mo> </mrow>]]></math></maths>式中λ-空气的导热系数，D-叶片前缘当量直径，ReD-以D为特征尺寸的来流空气雷诺数Pr-空气普朗特数θ-计自前缘驻点的角度，叶盆、叶背和后缘圆的计算公式为<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>c</mi></msub><mfrac> <mi>λ</mi> <mi>S</mi></mfrac><msubsup> <mi>Re</mi> <mi>S</mi> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub></msubsup><msup> <mi>Pr</mi> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub></msup> </mrow>]]></math></maths>式中nc＝0.02--0.4，n1＝0.05-0.7，n2＝0.25-0.5λ-空气的导热系数，s-叶片表面弧长ReS-以s为特征尺寸的来流空气雷诺数，Pr-空气普朗特数；E、叶片内部热气流腔的换热系数计算根据公式<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mn>0.023</mn><mfrac> <mi>λ</mi> <mi>De</mi></mfrac><msubsup> <mi>Re</mi> <mi>De</mi> <mn>0.8</mn></msubsup><msup> <mi>Pr</mi> <mn>0.4</mn></msup> </mrow>]]></math></maths>式中λ-空气的导热系数，De-流通管道的当量直径ReDe-以De为特征长度的雷诺数，Pr-空气普朗特数；F、叶片热平衡计算根据热平衡计算公式q＝q1+q2-q3+q4-q5，计算叶片表面温度分布t；G、计算结果分析叶片表面温度分布t由公式tmin＝∑t计算出叶片表面最小温度tmin，tmin大于设计点值t0时，叶片内部热气流腔为设计合理。
全文摘要
本发明涉及一种发动机压气机零级防冰叶片的设计计算方法。其主要是建立叶片内部热气流腔和引气管路独立流动单元，再将全部独立流动单元和引气管路连接构成流路网络图，进行流量计算，水撞击率计算，叶片外换热系数计算，叶片内部热气流腔的换热系数计算，叶片热平衡计算，最后对计算结果分析。本发明能快速完成叶片内部热气流腔的建立和修改、流路网络图的生成、叶片内部热气流腔的流动、换热和水撞击率计算以及热平衡计算分析，缩短设计周期，减少了设计费用。
文档编号G06F17/50GK101404042SQ20081014359
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者周志翔, 邱长波 申请人:中国航空动力机械研究所