一种综合冷却效率模化方法技术

本发明专利技术一种综合冷却效率模化方法，属于航空发动机和燃气涡轮发动机涡轮热分析技术领域；该方法步骤为首先推导综合冷却效率表达式，对无量纲参数进行模化匹配；然后对吹风比M、动量比I或者速度比VR进行匹配；最后根据吹风比M、动量比I或者速度比VR的匹配结果，对无量纲参数的匹配结果进行推导得到利用匹配温比的计算表达式，当表达式结果为1时，即能够实现主流侧冷气测换热系数比匹配，从而提高预测精度与可信度。本发明专利技术实现在温比不匹配的条件下使主流侧冷气测的换热系数比得到准确的匹配，使其对于综合冷却效率计算公式以及其他各无量纲参数的模化产生相对更小的影响，对指导综合冷却效率相关实验即工程实践有重要的意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种综合冷却效率模化方法


[0001]本专利技术属于航空发动机和燃气涡轮发动机涡轮热分析
，具体涉及一种综合冷却效率模化方法。

技术介绍

[0002]冲击冷却和气膜冷却作为高效且常见的涡轮叶片冷却手段，在航空发动机及燃气轮机领域得到广泛的应用。但是因为航空发动机热端部件的极端服役环境，导致在实验室进行相同工况的综合冷却效率实验基本无法开展，通过热端部件综合冷却效率模化理论，可以在实验室工况下得到具有可信度，并与实际发动机工况接近的综合冷却效率结果。
[0003]无量纲化的理论是传热学热分析领域非常重要的方法，在航空发动机和燃气轮机涡轮受到广泛的关注与应用。在涡轮综合冷却研究方面，早期主要以匹配主流侧的毕渥(Bi)数为主，但是并未考虑其他因素的影响，也未将结果与实际发动机进行对比验证。现有技术中，Kyle等人在匹配主流侧Bi数的情况下，对全叶片(气膜冷却+复杂内冷结构)的综合冷效进行了测量，作者还对一维综合冷效预测公式的有效性进行了验证。Randall P.Williams等使用匹配了主流侧Bi数的模型对叶片吸力面分别进行了单独内冷实验和冲击气膜实验，并对比了一维预测公式与实际综合冷效的结果。William等研究了主流侧Bi数匹配的原则，并且为选择合适的固体材料提供了一些建议。研究结果显示匹配主流和二次流的温度比能得到一个较理想的结果。
[0004]综合冷却效率模化理论模化在对主流侧冷气测的换热系数比进行模化时，是通过将换热系数比转为温比的幂函数来实现的，然而，在实验室中会出现难以实现航空发动机的实际主流、二次流的温度比，从而导致这一项的计算精度与准确性降低。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种综合冷却效率模化方法，将热端部件综合冷却效率模化理论进行分析，提出新的实现准确模化的思路，实现在温比不匹配的条件下使主流侧冷气测的换热系数比得到准确的匹配，使其对于综合冷却效率计算公式以及其他各无量纲参数的模化产生相对更小的影响，对指导综合冷却效率相关实验即工程实践有重要的意义。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种综合冷却效率模化方法，具体步骤如下：
[0008]步骤一：结合热端部件综合冷却效率模化理论，推导综合冷却效率表达式：
[0009][0010]式中，η为绝热冷却效率，Bi为主流侧毕渥数，χ为温升系
数，h
g
/h
c
为主流侧与冷气侧的换热系数比；t为热端部件厚度；
[0011]步骤二：对步骤一中的无量纲参数进行模化匹配；
[0012]步骤三：对吹风比M、动量比I或者速度比VR进行匹配；
[0013]步骤四：根据步骤三得到的匹配结果，对步骤二的匹配结果进行推导得到利用匹配温比的计算表达式，当表达式结果为1时，即能够实现主流侧冷气测换热系数比匹配，从而提高预测精度与可信度。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤一中，通过对四个无量纲参数η、Bi、χ、h
g
/h
c
求偏导数的计算值，得出相比于其他三个无量纲数，温升系数χ变化对于综合冷却效率的计算结果影响较小，故不予以考虑；对绝热冷却效率η、主流侧毕渥数Bi以及主流侧与冷气侧的换热系数比h
g
/h
c
进行模化匹配。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述四个无量纲参数η、Bi、χ、h
g
/h
c
求偏导数的计算值分别为：
[0016][0017][0018][0019][0020]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中，对绝热冷却效率η进行模化匹配：
[0021]η＝f(Re，Ma，Re
c
，MorI，DR，geometry)
[0022]式中，Re为主流雷诺数，Ma为马赫数，Re
c
为二次流雷诺数，M为吹风比，I为动量比，DR为密度比，geometry为几何结构；
[0023]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中，对主流侧毕渥数Bi进行模化匹配：
[0024][0025]式中，1表示高空发动机工况，2表示实验室发动机工况，h
g
为主流换热系数，k
s
为厚度方向导热系数，t表示冷却壁面的厚度。
[0026]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤二中，对主流侧与冷气侧的换热系数比h
g
/h
c
匹配：
[0027][0028]式中，h
c
为冷气换热系数，l为流动换热特征尺寸，k
s
为厚度方向导热系数，Nu
c
为冷气侧努塞尔数，k
c
为冷却气体导热系数，k
g
为主流气体导热系数。
[0029]本专利技术的进一步技术方案是：根据三个无量纲参数的匹配结果，得到两种工况下的冷气侧毕渥数Bi
c
匹配表达式：
[0030][0031]式中，T
c
为冷气出口温度，T
g
为主流温度。
[0032]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤四，依据步骤三对动量比I的匹配，得到冷气侧毕渥数Bi
c
的匹配表示式为：
[0033][0034]本专利技术的进一步技术方案是：通过改变m，使幂次1.1657m
‑
0.82＝0，能够实现冷气侧毕渥数的匹配，即
[0035]本专利技术的进一步技术方案是：所述m控制范围为0.68
‑
0.72。
[0036]有益效果
[0037]本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出一种用于温比不匹配条件下实现热端部件综合冷却效率模化的方法，通过对热端部件综合冷却效率模化计算式进行对应无量纲参数的模化过程推导，得到实现绝热冷却效率、主流毕渥数、内外侧换热系数之比准确模化的方法，针对模化内外侧换热系数之比时，由于实验室温比无法达到实际发动机工况下的温比而出现的误差，提出通过调整几何结构与雷诺数的耦合关系，通过模拟与迭代获得合适的m的范围对应的几何尺寸，从而实现冷气侧毕渥数的准确匹配，为实验室开展综合冷却实验时出现无法达到目标温比的问题提供了思路与方向。
[0038]通过实验验证，由于各个实际工况下的几何结构以及雷诺数不同，但是通过调整冲击腔几何相似的尺寸以及尺寸变化带来的雷诺数变化可以实现m的变化，以此，将m控制在0.68
‑
0.72左右时，冷气侧毕渥数之比的匹配误差不超过1％，通过有效的数值模拟与迭代计算出对应几何结构与雷诺数下的m，不断调整至0.68
‑
0.72之间，即可以有效提高模化准确性。
[0039]根据实际温比与实验室温比之比的变化来验证上述方法的准确性，得出将m控制在0.68
‑
0.72时，当实验室的温比与实际温比出现较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种综合冷却效率模化方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：结合热端部件综合冷却效率模化理论，推导综合冷却效率表达式：式中，η为绝热冷却效率，Bi为主流侧毕渥数，χ为温升系数，h
g
/h
c
为主流侧与冷气侧的换热系数比；t为热端部件厚度；步骤二：对步骤一中的无量纲参数进行模化匹配；步骤三：对吹风比M、动量比I或者速度比VR进行匹配；步骤四：根据步骤三得到的匹配结果，对步骤二的匹配结果进行推导得到利用匹配温比的计算表达式，当表达式结果为1时，即能够实现主流侧冷气测换热系数比匹配，从而提高预测精度与可信度。2.根据权利要求1所述综合冷却效率模化方法，其特征在于：所述步骤一中，通过对四个无量纲参数η、Bi、χ、h
g
/h
c
求偏导数的计算值，得出相比于其他三个无量纲数，温升系数χ变化对于综合冷却效率的计算结果影响较小，故不予以考虑；对绝热冷却效率η、主流侧毕渥数Bi以及主流侧与冷气侧的换热系数比h
g
/h
c
进行模化匹配。3.根据权利要求2所述综合冷却效率模化方法，其特征在于：所述四个无量纲参数η、Bi、χ、h
g
/h
c
求偏导数的计算值分别为：求偏导数的计算值分别为：求偏导数的计算值分别为：求偏导数的计算值分别为：4.根据权利要求1所述综合冷却效率模化方法，其特征在于：所述步骤二中，对绝热冷却效率η进行模化匹配：η＝f(Re，Ma，Re
c
，MorI，DR，geometry)式中，Re为主流雷诺数，Ma为马赫数，Re
c
为二次流的雷诺数，M为吹风比，I为动量比，DR为密度比，geometry为几何结构。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昆，梁庭睿，王睿，刘存良，李昆阳，黄小杨，陈磊，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：