涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法技术

本发明专利技术一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，属于航空发动机高温部件热防护领域；首先建立综合冷却效率理论关系修正公式；然后建立正向冷却结构设计包线；之后通过包线筛选，得到满足条件的前缘外壁面的气膜冷却效率和前缘内壁面的冷气侧换热系数；最后结合综合冷却效率理论关系修正公式，计算得到前缘外壁面的综合冷却效率，实现综合冷却效率预测，并通过预测结果对前缘复合冷却结构予以评估，得到前缘复合冷却结构的设计方案。本发明专利技术针对具有较大曲率变化、较强密集孔换热效应的涡轮叶片前缘复合冷却结构的正向设计方法，冷却设计参数的预测与结构设计评估的方法,解决了一维公式及分析方法在实际预测前缘壁温的失准问题。预测前缘壁温的失准问题。预测前缘壁温的失准问题。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法


[0001]本专利技术属于航空发动机高温部件热防护领域，具体涉及一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片前缘因直接面对高温燃气的冲击，是叶片上承受热负荷最大同时也最难以有效冷却的区域之一。前缘部分高效冷却难以实施的原因主要在于该处高温燃气有着低速、高压、高湍流度等特点。此外，前缘较大的曲率也限制了气膜的有效覆盖。在针对涡轮叶片综合冷效与耦合传热的研究中，部分学者致力于传热过程机理，进行了综合冷却效率影响因素探索的研究。目前大多数相关研究的理论基础是基于Natham
[1]针对冲击发散冷却结构的一维综合冷却效率的理论关系式推导。其推导结果为：
[0003][0004]从式(1)可以看出综合冷却效率Φ主要和主流侧毕渥数Bi
g
、壁面两侧换热系数比h
g
/h
c
以及气膜冷却效率η有关。该一维理论关系式及传热模型成为了许多研究学者基于发展的综合冷却效率影响因素理论，并依据该理论提出了有关传热参数匹配的方法以及综合冷却效率快速预测的方法。如李明飞等
[2]利用一维模型对影响综合冷却效率的无量纲参数进行了分析。作者利用得出的结论对相关影响参数进行了研究，同时使用上述一维公式对综合冷却效率进行了预测。目前公开发表的文献多为涡轮叶片几何、流动参数对壁温的影响探究，以及包括基于式(1)开发的综合冷却效率快速预测方法。
[0005]现有技术中记载有通过获取涡轮叶片的燃气侧进口参数、一维流道参数、叶片参数来确定涡轮叶片的冷却设计参数。这为涡轮叶片前缘的设计参数分析提供了思路。
[0006]然而对于针对复合冷却结构耦合传热影响下的涡轮叶片表面温度这一设计目标，现有对于涡轮叶片前缘的结构设计方法及设计参数分析评估较易失准，原因是涡轮叶片前缘大曲率的几何特点使得一维综合冷却效率预测公式产生的较大误差；同时涡轮叶片前缘的密集型气膜孔换热效应及温升效应、传热面积变化等原因也使得现有的基于一维的设计参数分析方法无法适配于涡轮前缘的结构设计。同时，现有技术方法往往具体性、针对性较强，但系统性较弱，并没有基于传热理论开发出指导与评估冷却结构设计及优化的系统性方法。
[0007]另外现有技术对于前缘冷却结构设计参数的分析缺乏基于方程的评估分析理论。而基于方程的计算方法相较于迭代算法能够提供更为完备的数理关系，以此建立更多信息产出的结构设计分析与评估。
[0008]因此需要针对涡轮叶片前缘的特点对综合冷却效率理论关系式进行二次推导及修正，基于理论方程建立针对涡轮叶片前缘复合冷却结构的正向设计方法，并提出对正向设计参数的准确预测及结构设计的评估措施，以此为实际涡轮叶片前缘高效复合冷却系统的设计及优化提供理论指导和技术支撑。

技术实现思路

[0009]要解决的技术问题：
[0010]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，针对具有较大曲率变化、较强密集孔换热效应的涡轮叶片前缘复合冷却结构的正向设计方法，以及过程中冷却设计参数的预测与结构设计评估的方法,解决了一维公式及分析方法在实际预测前缘壁温的失准问题。
[0011]本专利技术的技术方案是：一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于具体步骤如下：
[0012]步骤1：通过涡轮叶片前缘几何参数计算复合冷却结构设计参数，并推导出针对叶片前缘特点的综合冷却效率理论关系修正公式：
[0013][0014]步骤2：将许用/目标综合冷却效率与步骤1中复合冷却结构设计参数、综合冷却效率理论公式相结合，得到由前缘气膜冷却效率η及满足方程所对应的冷气侧换热系数h
c
所构成的二维数组，形成正向冷却结构设计包线；
[0015]步骤3：基于步骤2得到的η
‑
h
c
包线，对实际参数值进行筛选，得到满足条件的前缘外壁面的气膜冷却效率η
*
和前缘内壁面的冷气侧换热系数h
c*
；
[0016]步骤4：将步骤3筛选后确认的η
*
、h
c*
，以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数h
e
带入到步骤1中综合冷却效率理论公式(2)中，计算得到前缘外壁面的综合冷却效率，实现前缘外壁面的综合冷却效率预测，并通过预测的综合冷却效率结果对该η
*
、h
c*
组合而成的前缘复合冷却结构予以评估；
[0017]步骤5：根据满足设计要求的综合冷却效率的η
*
、h
c*
所对应的复合冷却结构组合，得到前缘复合冷却结构的设计方案。
[0018]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，根据无量纲温度综合冷却效率定义前缘气膜冷却效率T
g
是燃气的来流温度，无量纲冷气流量m
c+
，燃气侧毕渥数Bi
g
，冷气侧换热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比C，气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积的乘积与所述的与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比C
e
，无量纲等效积分热量传递面积比A
g*
，根据热阻分析法推导获得针对叶片前缘特点的综合冷却效率理论关系修正公式(2)。
[0019]本专利技术的进一步技术方案是：所述无量纲等效积分热量传递面积比为：
[0020][0021]式中，Ag为前缘外部换热面积，R1为前缘外侧曲率半径，R2为前缘内侧曲率半径，N为前缘纵向截面曲率圆心角，L为涡轮叶片叶高。
[0022]本专利技术的进一步技术方案是：所述燃气侧毕渥数为式中，h
g
为涡轮叶片前缘燃气侧换热系数，δ为叶片前缘的壁面厚度，k
s
为导热系数。
[0023]本专利技术的进一步技术方案是：所述无量纲冷气流量式中，m
c
为冷气的质量流量，c
p,c
为定压比热容，T
w
、T
aw
、T
c,e
、T
c
分别是前缘壁面温度、有气膜时壁面的绝热温度、气膜孔出口温度、冷气温度。
[0024]本专利技术的进一步技术方案是：所述冷气侧换热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比为式中，h
c
为涡轮叶片前缘冷气侧换热系数，A
c
为前缘内部换热面积。
[0025]本专利技术的进一步技术方案是：所述气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积A
e
的乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比式中，h e
为气膜孔内换热系数，St
e
为气膜孔内流体斯坦顿数，l为气膜孔长，d为气膜孔径；
[0026]根据温升原理及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：通过涡轮叶片前缘几何参数计算复合冷却结构设计参数，并推导出针对叶片前缘特点的综合冷却效率理论关系修正公式：步骤2：将许用/目标综合冷却效率与步骤1中复合冷却结构设计参数、综合冷却效率理论公式相结合，得到由前缘气膜冷却效率η及满足方程所对应的冷气侧换热系数h
c
所构成的二维数组，形成正向冷却结构设计包线；步骤3：基于步骤2得到的η
‑
h
c
包线，对实际参数值进行筛选，得到满足条件的前缘外壁面的气膜冷却效率η
*
和前缘内壁面的冷气侧换热系数h
c*
；步骤4：将步骤3筛选后确认的η
*
、h
c*
，以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数h
e
带入到步骤1中综合冷却效率理论公式(2)中，计算得到前缘外壁面的综合冷却效率，实现前缘外壁面的综合冷却效率预测，并通过预测的综合冷却效率结果对该η
*
、h
c*
组合而成的前缘复合冷却结构予以评估；步骤5：根据满足设计要求的综合冷却效率的η
*
、h
c*
所对应的复合冷却结构组合，得到前缘复合冷却结构的设计方案。2.根据权利要求1所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于：所述步骤1中，根据无量纲温度综合冷却效率定义前缘气膜冷却效率T
g
是燃气的来流温度，无量纲冷气流量m
c+
，燃气侧毕渥数Bi
g
，冷气侧换热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比C，气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积的乘积与所述的与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比C
e
，无量纲等效积分热量传递面积比A
g*
，根据热阻分析法推导获得针对叶片前缘特点的综合冷却效率理论关系修正公式(2)。3.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于：所述无量纲等效积分热量传递面积比为：式中，Ag为前缘外部换热面积，R1为前缘外侧曲率半径，R2为前缘内侧曲率半径，N为前缘纵向截面曲率圆心角，L为涡轮叶片叶高。4.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于：所述燃气侧毕渥数为式中，h
g
为涡轮叶片前缘燃气侧换热系数，δ为叶片前缘的壁面厚度，k
s
为导热系数。5.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方
法，其特征在于：所述无量纲冷气流量式中，m
c
为冷气的质量流量，c
p,c
为定压比热容，T
w
、T
aw
、T
c,e
、T
c
分别是前缘壁面温度、有气膜时壁面的绝热温度、气膜孔出口温度、冷气温度。6.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于：所述冷气侧换热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比为式中，h
c
为涡轮叶片前缘冷气侧换热系数，A
c
为前缘内部换热面积。7.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法，其特征在于：所述气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积A
e
的乘积与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之比式中，h e
为气膜孔内换热系数，St
e
为气膜孔内流体斯坦顿数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘存良，李冰然，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：