一种涡轮导叶冷却空气量评估方法技术

本发明专利技术公开一种涡轮导叶冷却空气量评估方法。从现有的半经验公式中提取影响涡轮冷却空气量的参数；作为拟合函数的输入参数，涡轮叶片冷却所需空气量作为拟合公式的输出参数；根据选取的影响参数构造不同的工况进行三维数值计算，得到涡轮叶片冷却空气量数据库；利用涡轮叶片冷却空气量数据库以及确定的输入—输出参数和确定的拟合函数形式建立涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式；基于涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式，得到特定几何结构以及流动参数下涡轮导叶所需的冷却空气量，即涡轮导叶冷却空气量评估方法。解决现有半经验公式对涡轮叶片冷却空气量进行预测时存在预测结果与实际误差较大，不能准确的预测涡轮叶片冷却所需空气量的问题。片冷却所需空气量的问题。片冷却所需空气量的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮导叶冷却空气量评估方法


[0001]本专利技术涉及燃气轮机涡轮导叶，具体涉及一种涡轮导叶冷却空气量评估方法。

技术介绍

[0002]燃气轮机被广泛应用于发电、航空、航海等领域，是一个国家综合实力的重要组成部分。作为国家国防、工业和科技实力的标志，世界先进国家均将其作为优先发展的战略性产业。燃气涡轮作为燃气轮机核心部件之一，其工作于高温高压的恶劣环境之下。目前先进燃气轮机涡轮前温度已经达到了惊人的2000K左右，远远超过了涡轮叶片金属材料的耐温极限，因此对其采取先进的冷却技术是非常有必要的。
[0003]在涡轮叶片冷却中，冷却气体的流量在其中扮演着重要的角色。一方面，涡轮前温度的提高要求冷气流量也要相应的提高，而冷却气体来自于发动机的压气机部分，冷却气体流量的提高导致主流燃气的减少，即减少了做功的工质，对于整个循环效率的提高不利；另一方面，冷却气体出流也会与主流掺混，造成更多的掺混损失，同时，冷却气体的增加也会使其对涡轮气动性能产生更多不可预知的不良影响。因此，准确地评估涡轮叶片所需的冷却空气量对于提高燃气轮机的涡轮的整体效率具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，用以解决现有半经验公式对涡轮叶片冷却空气量进行预测时存在预测结果与实际误差较大，不能准确的预测涡轮叶片冷却所需空气量的问题。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述评估方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：从现有的半经验公式中提取影响涡轮冷却空气量的参数；
[0008]步骤2：将步骤1的参数作为拟合函数的输入参数，涡轮叶片冷却所需空气量作为拟合公式的输出参数；
[0009]步骤3：根据步骤2选取的影响参数构造不同的工况进行三维数值计算，得到涡轮叶片冷却空气量数据库；
[0010]步骤4：利用步骤3涡轮叶片冷却空气量数据库以及确定的输入—输出参数和确定的拟合函数形式建立涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式；
[0011]步骤5：基于步骤4的涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式，得到特定几何结构以及流动参数下涡轮导叶所需的冷却空气量，即涡轮导叶冷却空气量评估方法。
[0012]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述步骤1中现有的半经验公式具体为，所述半经验公式为，
[0013][0014]半经验公式进行参数提取，对提取后的参数在建模软件中对涡轮导叶进行建模，
得到数值计算所需的几何结构，并对其进行网格划分，得到所需的计算域。
[0015]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述几何参数包括涡轮导叶的表面积A
b
以及主流出口面积A
g
，建模软件为UG，网格划分软件为ICEM。
[0016]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述步骤3具体为，将划分后的网格导入到数值计算软件，根据不同的冷却空气量设置计算域的边界条件，得到各个冷却空气量所对应的计算工况，基于计算工况得到涡轮叶片冷却空气量数据库。
[0017]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述数值计算软件为ANSYS CFX，设置的计算工况为不同的流量比工况，所述流量比分别为0.025、0.035、0.045、0.055、0.065。
[0018]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述步骤4建立新的涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式具体为，对各个计算工况进行数值模拟计算，得到不同冷气量下涡轮导叶的温度场分布，在后处理软件中计算出影响冷却空气量的各个无量纲参数，将其作为半经验公式的输入部分。
[0019]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述后处理软件为CFD
‑
POST，影响冷却空气量的各个无量纲参数有K
cool
、ε0、ε
f
、η
int
、B。
[0020]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述几何参数以及计算得到的影响冷却空气量的各个无量纲参数作为输入变量，将所需冷却空气量作为输出变量，建立新的涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式。
[0021]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，在函数拟合软件中输入上述含有待定参数的半经验公式表达式以及需要拟合得到的参数，运行软件进行计算，得到函数表达式中的待定参数的值并将其代入到所建立的新的半经验公式中，获得新的评估涡轮导叶的冷却空气量的半经验公式。
[0022]一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，所述步骤5得到特定几何结构以及流动参数下涡轮导叶所需的冷却空气量具体为，基于现有的半经验公式通过增加待定参数得到新的含有待定参数的半经验公式，所述输入变量有K
cool
、ε0、ε
f
、η
int
、B，输出变量为待定参数为a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，半经验公式函数形式为：
[0023][0024]其中：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]其中，m
c
为冷却空气质量流量，m
g
为主流燃气质量流量，B为无量纲冷却流参数，K
cool
为冷却流量系数，ε0为叶片冷却效率，ε
f
为气膜冷却效率，η
int
为内部冷却效率，c
pg
为燃气定压比热容，J/(kg
·
K)，c
pc
为冷却气体定压比热容，J/(kg
·
K)，St
g
为主流燃气斯坦顿数，Bi
met
为金属毕渥数，T
0g
为主流燃气进口总温，T
met,ext
为叶片外表面温度，T
0c,in
为冷气进口总温，T
ad
为绝热壁温，T
0c,exit
为气膜孔出口温度，T
met,int
为叶片内表面温度，A
b
为涡轮导叶的表面积，m2，A
g
为主流出口面积，m2；函数拟合软件为1stOpt；
[0031]将新的叶片几何参数以及各无量纲参数代入新的评估涡轮所需冷却空气量的半经验公式即可得到此叶片在相应工况下所需的冷却空气量。
[0032]本专利技术的有益效果是：
[0033]本专利技术在现有的估计涡轮叶片所需冷却空气量的半经验公式前提下，设置新的待定参数得到新的评估涡轮导叶所需冷却空气量的待定函数关系式，通过数值模拟得到函数拟合所需的数据库，使用函数拟合软件对新的半经验公式进行拟合，得到待定的参数。拟合结果的均方差降低至0.0025，决定系数高达0.9686，取得了非常不错的评估结果。
[0034]本专利技术使用半经验公式对涡轮导叶所需冷却空气量进行预估的效率非常高，基于数值模拟得到的结果能保证高精确度，使用此半经验公式对新的参数进行所需冷却空气量进行预测时间大大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述评估方法包括以下步骤：步骤1：从现有的半经验公式中提取影响涡轮冷却空气量的参数；步骤2：将步骤1的参数作为拟合函数的输入参数，涡轮叶片冷却所需空气量作为拟合公式的输出参数；步骤3：根据步骤2选取的影响参数构造不同的工况进行三维数值计算，得到涡轮叶片冷却空气量数据库；步骤4：利用步骤3涡轮叶片冷却空气量数据库以及确定的输入—输出参数和确定的拟合函数形式建立涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式；步骤5：基于步骤4的涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式，得到特定几何结构以及流动参数下涡轮导叶所需的冷却空气量，即涡轮导叶冷却空气量评估方法。2.根据权利要求1所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述步骤1中现有的半经验公式具体为，所述半经验公式为，半经验公式进行参数提取，对提取后的参数在建模软件中对涡轮导叶进行建模，得到数值计算所需的几何结构，并对其进行网格划分，得到所需的计算域。3.根据权利要求2所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述几何参数包括涡轮导叶的表面积A
b
以及主流出口面积A
g
，建模软件为UG，网格划分软件为ICEM。4.根据权利要求2所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述步骤3具体为，将划分后的网格导入到数值计算软件，根据不同的冷却空气量设置计算域的边界条件，得到各个冷却空气量所对应的计算工况，基于计算工况得到涡轮叶片冷却空气量数据库。5.根据权利要求4所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述数值计算软件为ANSYS CFX，设置的计算工况为不同的流量比工况，所述流量比分别为0.025、0.035、0.045、0.055、0.065。6.根据权利要求4所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述步骤4建立新的涡轮导叶冷却空气量半经验评估公式具体为，对各个计算工况进行数值模拟计算，得到不同冷气量下涡轮导叶的温度场分布，在后处理软件中计算出影响冷却空气量的各个无量纲参数，将其作为半经验公式的输入部分。7.根据权利要求6所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征在于，所述后处理软件为CFD
‑
POST，影响冷却空气量的各个无量纲参数有K
cool
、ε0、ε
f
、η
int
、B。8.根据权利要求6所述一种涡轮导叶冷却空气量评估方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：董平，周旭，李涛，牛夕莹，林洪飞，韩蕊，于子杰，张宇轩，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：