專利名稱：一種防冰葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空燃?xì)廨啓C(jī)的計(jì)算方法，具體涉及一種渦輪軸 發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)零級防冰葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
技術(shù)背景航空燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)零級葉片直接與大氣接觸，大氣經(jīng)壓氣機(jī)零 級葉片進(jìn)入壓氣機(jī)，在寒冷的天氣，大氣中存在的液態(tài)水撞擊在壓氣 機(jī)零級葉片上結(jié)冰，壓氣機(jī)零級葉片上結(jié)冰會影響發(fā)動機(jī)的正常工 作，嚴(yán)重時會損害發(fā)動機(jī)，影響飛行安全。通常是引入一定熱氣流來 防止壓氣機(jī)零級葉片結(jié)冰。葉片內(nèi)部熱氣流道、熱氣流量是由試驗(yàn)確 定，設(shè)計(jì)周期長，費(fèi)用高。為了縮短設(shè)計(jì)周期和費(fèi)用，這就需要一種 葉片防冰設(shè)計(jì)計(jì)算方法，完成葉片防冰結(jié)構(gòu)的修改、性能分析的葉片 防冰設(shè)計(jì)計(jì)算。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)計(jì)周期短，費(fèi)用低的葉片防冰設(shè)計(jì)計(jì) 算方法。本發(fā)明的防冰葉片設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該計(jì)算方法步驟如下-1、 建立葉片內(nèi)部熱氣流腔和引氣管路獨(dú)立流動單元，再將全部 獨(dú)立流動單元和弓I氣管路連接構(gòu)成流路網(wǎng)絡(luò)圖；2、 流量計(jì)算對于任一流動節(jié)點(diǎn)，空氣流量計(jì)算公式為
式中《—一與節(jié)點(diǎn)/相連的各分支的質(zhì)量流量的代數(shù)值 3、水撞擊率計(jì)算
水撞擊率是葉片前緣圓、葉盆、葉背和后緣圓局部水撞擊率的總 和，局部水撞擊率計(jì)算式
<formula>formula see original document page 5</formula>
式中&密度，&速度，局部水撞擊效率，A微元面積, ^o水滴間距 4、葉片外換熱系數(shù)計(jì)算
葉片外換熱系數(shù)包括葉片前緣、葉盆、葉背和后緣圓局部換熱系數(shù)， 葉片前緣換熱系數(shù)的計(jì)算公式為
<formula>formula see original document page 5</formula>式中義一空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，D—葉片前緣當(dāng)量直徑， Re^—以Z)為特征尺寸的來流空氣雷諾數(shù) Pr—空氣普朗特?cái)?shù)，6—計(jì)自前緣駐點(diǎn)的角度
葉盆、葉背和后緣圓換熱系數(shù)的計(jì)算公式為
a = nc 一R、 Pr 式中ne=0.02—0.4， n產(chǎn)0.05—0.7， n2=0.25—0.5義一空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，葉片表面弧長
Re,—以s為特征尺寸的來流空氣雷諾數(shù)，Pr—空氣普朗特?cái)?shù)
5、 葉片內(nèi)部熱氣流腔的換熱系數(shù)計(jì)算
葉片內(nèi)部熱流腔的換熱系數(shù)計(jì)算公式為 ^0.023丄Re，04
式中義一空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，Z)e—流通管道的當(dāng)量直徑
Re^—以"為特征長度的雷諾數(shù)，Pr—空氣普朗特?cái)?shù)
6、 葉片熱平衡計(jì)算
葉片熱平衡是葉片表面對流換熱熱流qi，表面水蒸發(fā)散熱Q2，附 面層摩擦加熱熱流Q3，對收集水的加熱熱流q4，水微滴動能轉(zhuǎn)變來的 加熱熱流qs，葉片內(nèi)腔熱氣流加熱熱流q的平衡，葉片熱平衡計(jì)算公 式為
葉片表面溫度分布t的計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 6</formula>7、 計(jì)算結(jié)果分析
葉片表面溫度分布t的最小溫度Un的計(jì)算公式為
<formula>formula see original document page 6</formula>Un大于設(shè)計(jì)點(diǎn)值t。時，葉片內(nèi)部熱氣流腔為設(shè)計(jì)合理。
本發(fā)明的防冰葉片設(shè)計(jì)計(jì)算方法具有如下優(yōu)點(diǎn)能快速完成葉片
內(nèi)部熱氣流腔的建立和修改、流路網(wǎng)絡(luò)圖的生成、葉片內(nèi)部熱氣流腔 的流動、換熱和水撞擊率計(jì)算以及熱平衡計(jì)算分析，縮短設(shè)計(jì)周期短，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用。


圖1是本發(fā)明的葉片內(nèi)部熱氣流腔和引氣管路結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明的流動網(wǎng)絡(luò)圖
圖中1、引氣管，2、第一腔、3、第二腔，4、第三腔，5、第四 腔，6、第五腔，7、葉片前緣，8、葉片尾緣。
具體實(shí)施例方式
建立5個葉片內(nèi)部熱氣流腔和一個引氣管路1獨(dú)立流動單元，再 將第一腔2、第二腔2、第三腔4、第四腔6、第五腔7和引氣管1連 接成流路網(wǎng)絡(luò)圖，熱氣流由引氣管1按流路網(wǎng)絡(luò)圖的流路依次進(jìn)入各 熱氣流腔，再由尾緣8的熱氣流腔出口排入主流道中。
根據(jù)公式1>塒=0 乂=1
計(jì)算出熱氣流腔的流量為
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
根據(jù)公式《,,=Pw * F。 * 計(jì)算出水撞擊率
1.536克/秒
根據(jù)公式
<formula>formula see original document page 7</formula>
計(jì)算出
葉片前緣外換熱系數(shù)1500瓦沐2K葉盆外換熱系數(shù)210瓦/米2& 葉背外換熱系數(shù)225瓦/米2K 葉片后緣換熱系數(shù)135瓦/米2K 根據(jù)公式"=0.023^^4>°4計(jì)算出葉片內(nèi)部熱氣流腔的換熱系數(shù)根據(jù)公式《二A+《2 1+《4 -《5， t=f (q" q2 ， q3 ， q4 ， q5) 計(jì)算出；葉片表面溫度分布t (280， 290， ......317K)根據(jù)公式t in=i:t計(jì)算出葉片表面最小溫度tBin=280K，最小溫度t^舒設(shè)計(jì)點(diǎn)t。=273K， 所設(shè)計(jì)的防冰葉片滿足設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1、一種防冰葉片設(shè)計(jì)計(jì)算方法，其特征在于A、建立葉片內(nèi)部熱氣流腔和引氣管路獨(dú)立流動單元，再將全部獨(dú)立流動單元和引氣管路連接構(gòu)成流路網(wǎng)絡(luò)圖；B、流量計(jì)算對于任一流動節(jié)點(diǎn)，空氣流量計(jì)算公式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><munderover> <mi>&Sigma;</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-從i流動單元到j(luò)流動單元的質(zhì)量流量的代數(shù)值；C、水撞擊率計(jì)算水撞擊率是葉片前緣圓、葉盆、葉背和后緣圓局部水撞擊率的總和，局部水撞擊率的計(jì)算式為W″w，l＝ρw*V0*β<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&beta;</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，局部水撞擊效率，ds微元面積，dY0水滴間距；D、葉片外換熱系數(shù)計(jì)算葉片外換熱系數(shù)包括葉片前緣、葉盆、葉背和后緣圓局部換熱系數(shù)，葉片前緣的計(jì)算公式為<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><mn>1.14</mn><mfrac> <mi>&lambda;</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>&theta;</mi> <mn>90</mn></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><mo>]</mo> </mrow>]]></math></maths>式中λ-空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，D-葉片前緣當(dāng)量直徑，ReD-以D為特征尺寸的來流空氣雷諾數(shù)Pr-空氣普朗特?cái)?shù)θ-計(jì)自前緣駐點(diǎn)的角度，葉盆、葉背和后緣圓的計(jì)算公式為<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>c</mi></msub><mfrac> <mi>&lambda;</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-空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，s-葉片表面弧長ReS-以s為特征尺寸的來流空氣雷諾數(shù)，Pr-空氣普朗特?cái)?shù)；E、葉片內(nèi)部熱氣流腔的換熱系數(shù)計(jì)算根據(jù)公式<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&alpha;</mi><mo>=</mo><mn>0.023</mn><mfrac> <mi>&lambda;</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-空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，De-流通管道的當(dāng)量直徑ReDe-以De為特征長度的雷諾數(shù)，Pr-空氣普朗特?cái)?shù)；F、葉片熱平衡計(jì)算根據(jù)熱平衡計(jì)算公式q＝q1+q2-q3+q4-q5，計(jì)算葉片表面溫度分布t；G、計(jì)算結(jié)果分析葉片表面溫度分布t由公式tmin＝∑t計(jì)算出葉片表面最小溫度tmin，tmin大于設(shè)計(jì)點(diǎn)值t0時，葉片內(nèi)部熱氣流腔為設(shè)計(jì)合理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)零級防冰葉片的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。其主要是建立葉片內(nèi)部熱氣流腔和引氣管路獨(dú)立流動單元，再將全部獨(dú)立流動單元和引氣管路連接構(gòu)成流路網(wǎng)絡(luò)圖，進(jìn)行流量計(jì)算，水撞擊率計(jì)算，葉片外換熱系數(shù)計(jì)算，葉片內(nèi)部熱氣流腔的換熱系數(shù)計(jì)算，葉片熱平衡計(jì)算，最后對計(jì)算結(jié)果分析。本發(fā)明能快速完成葉片內(nèi)部熱氣流腔的建立和修改、流路網(wǎng)絡(luò)圖的生成、葉片內(nèi)部熱氣流腔的流動、換熱和水撞擊率計(jì)算以及熱平衡計(jì)算分析，縮短設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)費(fèi)用。
文檔編號G06F17/50GK101404042SQ20081014359
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者周志翔, 邱長波 申請人:中國航空動力機(jī)械研究所