一种冷却平板的插排气膜孔设计方法技术

本发明专利技术公开了一种冷却平板的插排气膜孔设计方法。本发明专利技术对平板采取插排气膜孔冷却的方式，通过对第一排气膜孔的位置、孔数、孔径与平板的长、宽以及开孔率之间的关系进行确定，得到相应的限制条件，在保证平板在第1排到最后1排之间区域开孔密度相等的情况下，通过调整流向第1排气膜孔的数量得到有限个可行的冷却方案，再通过数值计算分析平板热侧壁面温度分布、壁面平均温度和冷却效率，可以得到最优设计方案。本发明专利技术最大限度地实现整个平板均匀冷却的效果，同时快速得到最优设计方案，有效节省现有技术在设计中试凑参数和反复迭代的设计方法带来的工作量。

A design method of inserting and exhausting film hole for cooling plate

The invention discloses a design method of inserting and exhausting film hole of a cooling plate. The invention adopts the method of inserting the exhaust film hole to cool the flat plate. By determining the relationship between the position, number of holes, hole diameter of the first exhaust film hole and the length, width and opening rate of the flat plate, the corresponding limiting conditions are obtained. Under the condition that the area opening density of the flat plate between the first row and the last row is equal, the limited number is obtained by adjusting the flow direction to the first exhaust film hole The optimal design can be obtained by analyzing the temperature distribution, the average temperature and the cooling efficiency of the hot side of the plate. The invention realizes the effect of uniform cooling of the whole plate to the maximum extent, and at the same time obtains the optimal design scheme quickly, which effectively saves the workload brought by the trial and error parameters and iterative design method in the design of the prior art.

【技术实现步骤摘要】
一种冷却平板的插排气膜孔设计方法
本专利技术涉及燃气轮机领域，特别涉及一种冷却平板的插排气膜孔设计方法。
技术介绍
燃气轮机在航空航天、船舶、发电、冶金、化工、能源与动力工程等领域的广泛应用主要得益于热效率的持续提高，增加工质温度的是实现这一提高的主要措施之一。碳氢燃料的理论燃烧温度可以达到2200℃。然而，燃气轮机部件材料熔点远低于燃烧温度。因此，在开发出理想材料之前燃气轮机高性能的获得必须采取以一定的保护措施，气膜冷却便是最广泛应用于燃气轮机高温部件的冷却保护技术之一。在燃气轮机的高温部件主要包括燃烧室、涡轮等，在军用航空发动机中还包括加力燃烧室等。为提高汽轮机效率，增强高温部件的可靠性，气膜冷却技术在这些部件中均得到了大量的应用。气膜冷却最初是源自飞机机冀喷气解冻的一种二维狭缝射流技术，由于燃气轮机叶片的结构不宜采用狭缝形式射流，小孔射流成为首选。因此，在20世纪60年代，随着燃气轮机工质温度提高，气膜冷却的技术原型开始出现。同时，气膜冷却高效的冷却效果逐渐引起了研究人员的关注，此后，研究者对其结构特性和流场参数的影响进行了细致的研究。鉴于平板在加工上的便利以及平板实验结果与叶轮机械高温壁面原型测试之间的可借鉴性，一般针对气膜冷却的基础研究均利用平板进行。燃气轮机内壁需要冷却的高温壁面有各种形状的，不易直接对其气膜冷却方案进行设计。因此，高温壁面的冷却设计可以由平板出发，得出优化方案后应用于高温壁面，然后根据具体的需要进行再次优化。为了使采用气膜冷却的高温壁面得到更加均匀的、有效的冷却，需要对气膜冷却结构进行优化设计，使得每个气膜孔的冷气得到充分利用。目前研究中平板气膜冷却孔的排布方式主要包括两种：顺排、插排。在大多数情况下插排的冷却效果明显优于顺排。此外，对平板冷却效果的影响结构参数主要归结为气膜孔直径、孔间距、开孔率、开孔角度等，研究者针对这些结构参数的影响做了大量的研究。但是尚无一种介绍如何简化插排气膜孔均匀冷却平板的设计方法。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术要解决的技术问题是提供一种均匀冷却平板的插排气膜孔简化设计方法，平板参数一定和冷气量确定即开孔率一定的情况下，在保证平板在第一排到最后一排之间区域开孔密度相等的同时，通过该方法快速得到最优设计方案，最大程度地简化设计流程和节省工作量技术方案：本专利技术所述的冷却平板的插排气膜孔设计方法，包括以下步骤：(1)平板采取气膜孔冷却，所述平板为方形，平板上分布有若干气膜孔，平板与所述流向方向平行的两侧边分别为第一流向侧边与第二流向侧边，平板与所述展向方向平行的侧边分别为第一展向侧边与第二展向侧边，气膜孔排布方式为插排，确定冷气量，得到确定的开孔率；(2)根据气膜孔的直径和平板的尺寸，得到气膜孔的每列之间的孔间距的范围；(3)保证平板的气膜孔在第一排到最后一排之间区域开孔密度相等，确定第一排气膜孔数量的范围；(4)根据第一排气膜孔的数量，得到与第一排气膜孔数量相对应的孔间距的数值，并通过开孔率得到由孔间距数值确定的气膜孔的排间距；(5)根据确定的孔间距与排间距，得到平板的第一排气膜孔或最后一排气膜孔与侧边的距离以及气膜孔的排数，得到可行的气膜孔分布方案。步骤(1)中，平板的开孔率为φ，其中，d为气膜孔直径，P为气膜孔每列之间的孔间距，S为气膜孔的排间距。步骤(2)中，孔间距的范围为其中，W为平板的宽度。步骤(3)中，第一排气膜孔数量为a，在的条件下，a的范围通过W＝(a-1)P+0.25P+0.25P以及确定，其中，0.25P为第一流向侧边或第二流向侧边距离最近的一列气膜孔的距离。步骤(4)中，通过W＝(a-1)P+0.5P得到每一个第一排气膜孔数量a对应的孔间距，随后通过得到的孔间距以及开孔率得到对应的气膜孔的排间距。步骤(5)中，通过L＝S×(q-1)+2H以及确定第一排气膜孔与第一展向侧边的距离或最后一排气膜孔与第二展向侧边的距离，以及确定气膜孔的排数，其中，L为平板的长度，H为第一排气膜孔或最后一排气膜孔与侧边的距离，q为气膜孔沿流向的排数。步骤(5)得到的可行方案，利用数值计算分析平板热侧壁面温度分布、壁面平均温度和冷却效率，筛选得到最优设计方案。本专利技术通过确定孔间距的范围、确定第一排开孔数a的范围，得到确定可行方案，确定可行方案气膜孔排数q以及第一排或者最后一排气膜孔距离侧边的距离H值，最后通过数值计算分析冷却效果得到最优方案。其中本专利技术中P为气膜孔每列之间的孔间距，气膜孔的列数是指气膜孔展向分布的气膜孔行数，而每列气膜孔之间的孔间距也可称为每列气膜孔之间的展向间距；本专利技术中的气膜孔排数是指气膜孔沿着流向分布的行数。本专利技术的设计思路为：(1)在平板气膜孔排布方式为插排的前提下，假设平板的长为L，宽为W，气膜孔直径为d，气膜孔的每列的孔间距为P，气膜孔沿流向的排间距为S，开孔率为φ。计算获得平板开孔率(2)气膜孔均匀冷却平板且整体处于平板上的主要限定条件为：W＝(a-1)P+0.25P+0.25P，L＝S×(q-1)+2H。(3)在上述的限定条件下，当L、W、一定时，根据需要任选d值，可以在保证平板上从第一排至第q排孔区间的平板开孔密度相等的情况下，得到最小数量的可行设计方案，然后通过数值计算分析得到冷却效果最优的设计方案。有益效果：本专利技术通过对平板上插排气膜孔排布方案进行合理的设计，通过限制条件限定气膜孔的结构参数范围，从而实现平板上第一排至最后一排孔之间开孔密度相等，最大限度地实现整个平板均匀冷却的效果，同时快速得到最优设计方案，有效节省此前人们在设计中试凑参数和反复迭代的设计方法带来的工作量。附图说明图1为本专利技术的平板及气膜孔的结构示意图；图2为本专利技术的开孔率计算示意图图3为调整平板第1排孔数时平板热侧平均壁温和冷却效率的对比图；图4为调整平板第1排孔数时平板热侧壁面温度分布示意图；图5为本专利技术流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术技术方案作出进一步说明。实施例1：如图1所示，图中X轴方向为流向方向，Y轴方向为展向方向，平板1采取气膜孔冷却，平板为方形，平板上分布有若干气膜孔10，平板与流向方向平行的两侧边分别为第一流向侧边101与第二流向侧边102，平板与展向方向平行的侧边分别为第一展向侧边103与第二展向侧边104，保证平板的气膜孔在第一排到最后一排之间区域开孔密度相等。(1)气膜孔排布方式为插排，确定冷气量，得到确定的开孔率(2)平板的长为L，宽为W，气膜孔直径为d，气膜孔的每列的孔间距为P，即气膜孔的展向间距为P，气膜孔沿流向的排间距为S，开孔率为(3)根据得到并根据确定气膜孔的每列之间的孔间距P的范围；(4)根据W＝(a-1)P+0.25P+0.25P以及结合上述步骤(3)，确定第一排气膜孔数量a的范围(a取整)；(5)根据第一排气膜孔的数量a和W＝(a-1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冷却平板的插排气膜孔设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)平板采取气膜孔冷却，所述平板为方形，平板上分布有若干气膜孔，平板与所述流向方向平行的两侧边分别为第一流向侧边与第二流向侧边，平板与所述展向方向平行的两侧边分别为第一展向侧边与第二展向侧边，气膜孔排布方式为插排，确定冷气量，得到确定的开孔率；/n(2)根据气膜孔的直径和平板的尺寸，得到气膜孔的每列之间的孔间距的范围；/n(3)保证平板的气膜孔在第一排到最后一排之间区域开孔密度相等，确定第一排气膜孔数量的范围；/n(4)根据第一排气膜孔的数量，得到与第一排气膜孔数量相对应的孔间距的数值，并通过开孔率得到由孔间距数值确定的气膜孔的排间距；/n(5)根据确定的孔间距与排间距，得到平板的第一排气膜孔或最后一排气膜孔与侧边的距离以及气膜孔的排数，得到可行的气膜孔分布方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种冷却平板的插排气膜孔设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)平板采取气膜孔冷却，所述平板为方形，平板上分布有若干气膜孔，平板与所述流向方向平行的两侧边分别为第一流向侧边与第二流向侧边，平板与所述展向方向平行的两侧边分别为第一展向侧边与第二展向侧边，气膜孔排布方式为插排，确定冷气量，得到确定的开孔率；
(2)根据气膜孔的直径和平板的尺寸，得到气膜孔的每列之间的孔间距的范围；
(3)保证平板的气膜孔在第一排到最后一排之间区域开孔密度相等，确定第一排气膜孔数量的范围；
(4)根据第一排气膜孔的数量，得到与第一排气膜孔数量相对应的孔间距的数值，并通过开孔率得到由孔间距数值确定的气膜孔的排间距；
(5)根据确定的孔间距与排间距，得到平板的第一排气膜孔或最后一排气膜孔与侧边的距离以及气膜孔的排数，得到可行的气膜孔分布方案。


2.根据权利要求1所述的冷却平板的插排气膜孔设计方法，其特征在于，步骤(1)中，平板的开孔率为φ，其中，d为气膜孔直径，P为气膜孔每列之间的孔间距，S为气膜孔的排间距。


3.根据权利要求2所述的冷却平板的插排气膜孔设计方法，其特征在于，步骤(2)中，孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：范育新，陈玉乾，陈忠良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32