一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，包括：确定辐射修正系数的无量纲自变量参数；确定无量纲自变量参数与辐射修正系数之间的物理关系与关联形式；建立测量矩阵的试验数据集；确定经验式框架中的经验系数；遴选出当前相关性的适用无量纲参数置信区间，确立气膜冷却效率热辐射修正的经验公式；考虑热辐射修正的气膜冷却效率由低温环境下的气膜冷却效率与辐射修正系数的乘积获得。本发明专利技术以大量的数值仿真或试验测量获取的正交数据集为依据，最大程度的提高了开发的经验关联式的科技性及可信度；实验室环境下开展的低温或中温环境试验，仅需对测量数据与辐射修正系数做乘积，即可完成高温环境下气膜冷却效率的预测工作。效率的预测工作。效率的预测工作。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法


[0001]本专利技术属于航空发动机热端部件高温测量、结构设计领域，特别是涉及一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法。

技术介绍

[0002]气膜冷却作为航空发动机中一种高效、新型的冷却形式，广泛应用在发动机热端部件(燃烧室、涡轮叶片)中，其主要工作原理为：从热端部件表面开一排排气膜孔，引入二次气流，这股二次气流在高温燃气的压力和摩擦力作用下将附着在热端部件的表面上，将高温燃气与部件壁面隔开，构成了阻隔热燃气冷却的一种重要方式，将对热端部件起到良好的冷却保护作用。
[0003]气膜冷却效率是一个无量纲量，表征气膜冷却方式带来的壁面绝对冷却效果接近最大可能达到的绝对冷却效果的程度，它是衡量气膜冷却效果的重要指标，主要由主流与二次流掺混的流动特性以及气膜孔的几何特征决定，准确获取该冷却效率至关重要，因为这将直接影响着发动机传热设计者的设计精度。
[0004]目前，直接针对超高温工况(如＞1800K)气膜冷却效率的获取难度极高，鲜有研究。而人们出于对试验成本、试验可行性以及安全角度考虑，较为成熟的一套做法是：通常会在低温(如300K)或中温环境(如600K)开展气膜冷却效率的测量试验，通过模化理论的工况参数设计，将该测量值近似等效为真实高温环境下的气膜冷效。然而，这种不考虑热辐射影响的近似方法会高估高温环境下的气膜冷却效率，进而制约涡轮叶片的传热设计精度。因此，如何基于实验室测量数据，预估真实航空发动机超高温运行工况下的真实数据，已成为本领域急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，以解决上述现有技术存在的问题。采用的是基于最小二乘非线性拟合分析方法对影响高温气膜冷却效率的无量纲自变量参数进行定量分析并估算其经验修正公式。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，包括：
[0007]在满足高低温工况涡轮叶片冷却效率测量的一般模化标准情况下，取展向平均的高温气膜冷却效率与低温气膜冷却效率的比值沿流向分布的平均值作为气膜冷效辐射修正系数；
[0008]确定所述气膜冷效辐射修正系数的无量纲自变量参数；
[0009]获取所述无量纲自变量参数与辐射修正系数之间的物理关系与关联形式；
[0010]构建测量矩阵的试验数据集，构建所述气膜冷效辐射修正系数的经验公式框架；
[0011]基于所述试验数据集、所述物理关系与关联形式对所述经验公式框架求解，获得所述经验公式框架的经验系数，获得初始经验公式；
[0012]计算所述试验数据集的决定系数，根据所述决定系数对所述试验数据集进行遴选，确定当前相关性的适用无量纲参数置信区间，并通过误差分析获得气膜冷效辐射修正的最终经验公式；
[0013]基于所述最终经验公式，并根据低温环境下的气膜冷却效率与辐射修正系数获得高温环境下考虑热辐射修正的气膜冷却效率。
[0014]可选的，根据绝热壁温、主流燃气温度、气膜孔出口处的冷气温度计算获得所述气膜冷却效率；
[0015]通过所述气膜冷却效率加和平均获得所述展向平均的气膜冷却效率。
[0016]可选的，通过所述无量纲自变量参数构建与气膜冷效辐射修正系数获取过程等价的修正函数。
[0017]可选的，获取所述物理关系与关联形式的过程包括：采用控制变量法，分别改变所述修正函数中的每一个参数，同时保证其余参数不变，基于数据仿真或实验技术获得展向平均的气膜冷却效率随无量纲自变量的变化规律，所述变化规律体现在所述物理关系与关联形式中。
[0018]可选的，构建所述试验数据集的过程包括：分别选取所述无量纲自变量参数中单个参数的N组数据，获得包含N3组的正交测量矩阵与N3组的数据集，其中，N为自然数。
[0019]可选的，构建所述经验公式框架的过程包括：基于所述无量纲自变量参数的非线性关系。
[0020]可选的，所述经验系数的获取过程包括：基于最小二乘法非线性拟合方法，确保拟合后的辐射修正系数方差最小，获得所述经验系数。
[0021]可选的，所述高温环境下考虑热辐射修正的气膜冷却效率由模化后的低温环境下的气膜冷却效率与辐射修正系数的乘积获得。
[0022]本专利技术的技术效果为：
[0023]首先，以大量的数值仿真或试验测量获取的正交数据集为依据，最大程度的提高了开发的经验关联式的科技性及可信度；其次，对于在实验室环境下开展的低温(如300K)或中温环境(如600K)气膜冷却效率测量试验，如果满足模化条件，仅需对实验室测量数据与辐射修正系数做乘积，即可完成高温环境下气膜冷却效率的预测工作，这会大大提高涡轮叶片的传热设计精度。同时，该方法具有计算高效、结果可靠、易于推广等优点。
附图说明
[0024]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0025]图1为本专利技术实施例中的考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法的流程示意图；
具体实施方式
[0026]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0027]需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的
计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0028]实施例一
[0029]本专利技术提供了一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，该方法可以在满足航空发动机涡轮叶片气膜冷却效率一般模化标准前提下，基于辐射修正系数关联式实现由低温(如300K)、中温(如600K)试验工况下气膜冷却效率向高温(如1500K)乃至超高温(如2000K)环境下效率的预测。该方法具有计算精度高、简单易行、可提高传热设计精度等优点，便于研究学者更好地理解气膜冷却的流动及传热机理。
[0030]如图1所示，本实施例中提供一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，包括：
[0031]步骤1：首先满足高低温工况涡轮叶片冷却效率测量的一般模化标准。
[0032]所述涡轮叶片冷却效率测量的一般模化标准包括：高、低温工况下，涡轮叶片所在运行环境中主流的雷诺数、密度比、吹风比、动量比、速度比、冷气的雷诺数以及几何参数等均相同。
[0033]步骤2：定义气膜冷效辐射修正系数为展向平均的高温气膜冷却效率与低温气膜冷却效率的比值沿流向分布的平均值。
[0034]所述气膜冷却效率表达式为：
[0035][0036]其中，T
aw
为绝热壁温；T
g
为主流燃气温度；T
c，exit
为气膜孔出口处的冷气温度。
[0037]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，其特征在于，包括以下步骤：在满足高低温工况涡轮叶片冷却效率测量的一般模化标准情况下，取展向平均的高温气膜冷却效率与低温气膜冷却效率的比值沿流向分布的平均值作为气膜冷效辐射修正系数；确定所述气膜冷效辐射修正系数的无量纲自变量参数；获取所述无量纲自变量参数与辐射修正系数之间的物理关系与关联形式；构建测量矩阵的试验数据集，构建所述气膜冷效辐射修正系数的经验公式框架；基于所述试验数据集、所述物理关系与关联形式对所述经验公式框架求解，获得所述经验公式框架的经验系数，获得初始经验公式；计算所述试验数据集的决定系数，根据所述决定系数对所述试验数据集进行遴选，确定当前相关性的适用于无量纲参数的置信区间，并通过误差分析获得气膜冷效辐射修正的最终经验公式；基于所述最终经验公式，并根据低温环境下的气膜冷却效率与辐射修正系数获得高温环境下考虑热辐射修正的气膜冷却效率。2.根据权利要求1所述的考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，其特征在于，根据绝热壁温、主流燃气温度、气膜孔出口处的冷气温度计算获得所述气膜冷却效率；通过所述气膜冷却效率加和平均获得所述展向平均的气膜冷却效率。3.根据权利要求1所述的考虑热辐射的涡轮叶片气膜冷却效率修正方法，其特征在于，通过所述无量纲自变量参数构...

【专利技术属性】
技术研发人员：由儒全，李海旺，王孟，陶智，王鹏飞，郭文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：