CN104573247A

CN104573247A - 一种过渡段简化模型冷却结构优化方法

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Publication number: CN104573247A
Application number: CN201510021927.8A
Authority: CN
Inventors: 郭欢; 吉野辰萌; 徐涛; 于征磊; 邵晴; 徐天爽; 修豪华
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2015-01-11
Filing date: 2015-01-11
Publication date: 2015-04-29

Abstract

本发明涉及一种过渡段简化模型冷却结构优化方法，本发明步骤包括，根据燃气轮机燃烧室过渡段功能和结构特点构建双腔室简化模型；采用工程应用中常用的正交试验设计，提供优化设计的初始近似模型建模；基于壁面平均温度T、最小压强P建立的优化模型及约束，采用内点法进行优化分析；计算简化结构的过渡段壁面平均温度、最小压强和冷却效率。本发明能够很好地满足燃气轮机设计阶段中对过渡段结构简化建模及冷却性能分析的需要，并能够辅助设计人员快速提取此类结构的冲击冷却特性，避免了传统有限元分析及试验的繁琐工作，从而实现了对初步设计方案的性能快速评估和快速修改，缩短了设计周期。

Description

一种过渡段简化模型冷却结构优化方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机结构设计领域，尤其涉及一种过渡段简化模型冷却结构优化方法。

背景技术

燃气轮机作为现代最具有市场应用潜力的动力机械，其热效率和功率随着涡轮叶片进口燃气温度的增加而提高。燃烧室产生的高温燃气到达涡轮叶片之前需经过燃烧室过渡段，随着燃气温度不断提高，为防止过渡段表面被高温腐蚀，必须为其设计一个高效冷却系统，提高其冷却性能。冲击冷却在目前的燃烧室过渡段壁面冷却问题上应用最为广泛，采用高速流体直接冲击冷却对象，在冲击靶面上形成较薄的流动边界层，使得壁面换热系数比常规对流换热高出几倍甚至一个量级。因此，研究冲击冷却对过渡段壁面换热特性和冷却效率的影响具有十分重要的意义。

影响冷却效率及流场换热特性的因素诸多，针对不同雷诺数研究了四种射流角度对自由平面的冲击换热特性，发现努赛尔数、压力极值点随射流角度变大向上游偏移的规律，但没有对腔室结构进一步研究。通过实验研究冲击距离对双层壁内通道表面换热系数的影响，发现降低冲击高度可提高换热效率。冲击冷却孔作为影响冷却效率的重要因素，已经成为国内外学者的研究热点之一，但是现有研究成果多集中于气膜冷却方式，涡轮叶片等特定结构，对过渡段结构的研究甚少，冲击孔角度、风向倾角等方面缺少适合过渡段结构冲击冷却方式的可借鉴成果。

基于上述缺陷，本发明作者经过长时间的研究和实践获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡段简化模型冷却结构优化方法，用以克服上述技术缺陷。

双腔室模型主要由内壁面3和外壁面6构成了燃气腔11和冷空气腔10，其冷空气和燃气的射流定义为：冷空气从冲击孔2进入冷空气腔10沿与燃气相反的方向从冷空气腔出口5流出，其中冷空气腔室10另外一侧封闭1。燃气从燃气腔入口4进入燃气腔11，从燃气腔出口7。因此，本发明提出了对双腔室冲击孔角度8和冷空气射流倾角9的结构优化方法。

为实现上述目的，本发明提供一种过渡段简化模型冷却结构优化方法，包括以下步骤：

步骤a，根据燃气轮机燃烧室过渡段功能和结构特点构建双腔室简化模型，包括：简化模型尺寸、结构、形貌、功能、冲击孔尺寸、排布方式、冲击角度、气流射流角度；

步骤b，采用工程应用中常用的正交试验设计，提供优化设计的初始近似模型建模，包括：计算不同冲击角度和气流射流角度时，简化模型内壁面温度分布和出口压力值；

步骤c，基于壁面平均温度T、最小压强P建立的优化模型及约束，采用内点法进行优化分析；

步骤d，综合优化结果和设计工艺得到一个较优的射流孔冲击角度和冷空气射流倾角。

进一步地，所述的步骤a中的几何模型建立以及其冲击冷却角度和射流方向的确定过程中，该模型为内外双腔室结构，内腔室为主流燃气；外腔室为冷却空气，其入口是外壁面上的圆柱形冲击冷却孔，一端封闭，出口流向与燃气相反，冲击冷却孔位于外壁面轴向中间部位，顺序排列三排，孔排间距68mm，每排周向均布六个孔，共18个冲击孔，直径均为10.26mm。

进一步地，在上述步骤a中，模型尺寸定义为：轴向(Z)长1050mm，内腔室半径162mm，内过渡段壁面厚6.8mm，外腔室高38mm，外侧导流衬壁面厚3.2mm。

进一步地，冲击冷却孔开孔角度α定义为：圆柱型冲击孔轴线方向与外侧壁面切线方向的夹角；风向倾角β定义为：冷却空气入口速度矢量方向与外侧壁面切线方向的夹角；

定义平均温度

T = \frac{1}{A_{w}} Σ_{i = 1}^{n} (A_{i} \times T_{i}) - - - (1)

式中A_w为过渡段壁面总面积，A_i为第i个面单元的面积，T_i是该单元的温度，n为过渡段壁面上二维面单元总个数；

设T_g和T_c分别是主流燃气入口端温度和冷却空气温度，T_w为内侧过渡段壁面温度，则定义冷却效率为

η = \frac{T_{g} - T_{w}}{T_{g} - T_{c}} - - - (2) .

进一步地，所述的步骤a和步骤b采用实验设计和内点优化算法，取冲击孔角度α及风向倾角β为设计参数，即正交试验设计的两个试验因素，其设计域为α∈[30°，90°]，β∈[30°，90°]，选取5水平正交表，即步长为15°；进行响应面回归方程拟合，得到关于平均温度T以及最小压强P的响应面；对响应面模型进行拟合度检查时主要考虑响应面的确定系数，其取值范围为[0，1]。

进一步地，上述步骤c中，基于壁面平均温度T、最小压强P建立的优化模型及约束为：

式中T为自定义壁面平均温度，T_max为其最大值，P为壁面最小压强，壁面压强值应大于入口压强的98％。

进一步地，所述的步骤d分析出的较优冲击孔角度α和冷空气风向倾角β。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明采用内点法对多排斜孔双腔室结构进行了优化设计，优化方案降低了壁面平均温度，增强了冲击壁面换热强度，提高了冷却效率从而更好的满足设计要求。本发明能够很好地满足燃气轮机设计阶段中对过渡段结构简化建模及冷却性能分析的需要，并能够辅助设计人员快速提取此类结构的冲击冷却特性，避免了传统有限元分析及试验的繁琐工作，从而实现了对初步设计方案的性能快速评估和快速修改，缩短了设计周期。

附图说明

图1为本发明双腔室模型结构示意图；

图2为本发明的冲击孔及风向倾角示意图；

图3a为本发明的平均温度与最小压强的响应面示意图一；

图3b为本发明的平均温度与最小压强的响应面示意图二；

图4为本发明的壁面温度优化迭代过程示意图；

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

步骤d，计算简化结构的过渡段壁面平均温度、最小压强和冷却效率。

(1)请参阅图1所示，其为本发明的双腔室模型结构示意图；本发明选取四分之一圆环模型进行研究。该模型为内外双腔室结构，内腔室为主流燃气，其流向如图1所示；外腔室为冷却空气，其入口是外壁面上的圆柱形冲击冲击孔，一端封闭，出口流向与燃气相反。模型尺寸定义为：轴向(Z)长1050mm，内腔室半径162mm，内过渡段壁面厚6.8mm，外腔室高38mm，外侧导流衬壁面厚3.2mm。冲击冷却孔位于外壁面轴向中间部位，顺序排列三排，孔排间距68mm，每排周向均布六个孔，共18个冲击孔，直径均为10.26mm。

图2给出了冲击孔角度及风向倾角的示意图，其中冲击冷却孔开孔角度α定义为：圆柱型冲击孔轴线方向与外侧壁面切线方向的夹角。风向倾角β定义为：冷却空气入口速度矢量方向与外侧壁面切线方向的夹角。

定义平均温度

T = \frac{1}{A_{w}} Σ_{i = 1}^{n} (A_{i} \times T_{i}) - - - (1)

式中A_w为过渡段壁面总面积，A_i为第i个面单元的面积，T_i是该单元的温度，n为过渡段壁面上二维面单元总个数。设T_g和T_c分别是主流燃气入口端温度和冷却空气温度，T_w为内侧过渡段壁面温度，则定义冷却效率为

η = \frac{T_{g} - T_{w}}{T_{g} - T_{c}} - - - (2)

其值直接描述了不同冷却方案冷却效果的差别，因此可以用来评价冷却效果的好坏。

(2)本专利采用工程应用中常用的正交试验设计，提供优化设计的初始近似模型建模。取冲击孔角度α及风向倾角β为设计参数，即正交试验设计的两个试验因素，其设计域为α∈[30°，90°]，β∈[30°，90°]，选取5水平正交表，即步长为15°，共需要25次试验(参见表1)。进行响应面回归方程拟合，得到关于平均温度T以及最小压强P的响应面(公式(3)，公式(4))如图3a和3b所示。

表1 设计变量及响应值试验列表

响应面近似模型对应二元二次回归方程为：

T＝1253.5-0.70276×β+0.57742×α+3.7644×10-3×β2-1.5543×10-3×α2-2.9342×10-3×α×β (3)

P＝1612100+10.24×β+136.29×α+1.12×β2-4.7619×10-2×α2-1.3813×β×α (4)

对响应面模型进行拟合度检查时主要考虑响应面的确定系数，其取值范围为[0，1]，其值越接近1，表明方程对试验数据接近程度越高，即模型拟合程度越好。

(3)为了达到降低壁面温度提高冷却效率的目的，基于壁面平均温度T、最小压

强P建立的优化模型及约束为：

式中T为1.2节中自定义壁面平均温度，T_max为其最大值，P为壁面最小压强，为了保证内壁面的冷却性能及稳定性，壁面压强不能过低，其值应大于入口压强的98％，α，β分别为冲击孔角度及风向倾角。

将关于平均温度和最小压强的近似模型公式(3)和(4)带入优化模型(5)，得到关于T、P的仅带不等式约束的非线性规划问题，采用MATLAB内点法进行优化分析，从而保证所有迭代点均在可行域范围内。设定初始冷却方案，此时自变量初值α，β为90°，优化迭代过程如图4所示。最终优化结果出现在α＝34.5012°，β＝90°时，此时壁面平均温度最优值为1228.07K。

(4)考虑加工工艺，冲击角α优化结果取整为35°，依此再实现重分析，求解结果精度一致，具有可信性。

表2 设计变量及响应的初始结果和优化结果

优化后设计变量及其过渡段壁面平均温度、最小压强响应值对比结果见表1，由表1可知优化方案中壁面平均温度降低了8.6K，压力值虽然略有降低，但是仍然大于入口压力的98％，满足初始设计约束要求。提取步骤b中定义公式(2)得到冷却效率值：初始方案ηmax(α＝90°)＝0.160967，优化方案冷却效率ηmax(α＝35°)＝0.173083，优化方案最大冷却效率比初始方案提高了7.53％，冷却效率提高效果明显。

通过对比可知，本发明兼顾了结构设计中的加工工艺，满足冲击冷却的条件。冲击孔角度α和风向倾角β是通过实验设计和内点法来确定的，较之初始给定的模型更为合理。且综合考虑了壁面温度和出口压强，因此综合考虑结构优化设计算法和实际冷却效率，以及加工工艺是非常必要的。

本发明得到的过渡段简化模型结构优化方法基本可将实际模型的冲击冷却形式表现出来，预示着在燃气轮机设计阶段，能够实现对过渡段冷却结构的冷却特性的快速提取和确定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，所述的步骤a中的几何模型建立以及其冲击冷却角度和射流方向的确定过程中，该模型为内外双腔室结构，内腔室为主流燃气；外腔室为冷却空气，其入口是外壁面上的圆柱形冲击冷却孔，一端封闭，出口流向与燃气相反，冲击冷却孔位于外壁面轴向中间部位，顺序排列三排，孔排间距68mm，每排周向均布六个孔，共18个冲击孔，直径均为10.26mm。

3.根据权利要求2所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，在上述步骤a中，模型尺寸定义为：轴向(Z)长1050mm，内腔室半径162mm，内过渡段壁面厚6.8mm，外腔室高38mm，外侧导流衬壁面厚3.2mm。

4.根据权利要求2所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，冲击冷却孔开孔角度α定义为：圆柱型冲击孔轴线方向与外侧壁面切线方向的夹角；风向倾角β定义为：冷却空气入口速度矢量方向与外侧壁面切线方向的夹角；

定义平均温度

T = \frac{1}{A_{w}} Σ_{i = 1}^{n} (A_{i} \times T_{i}) - - - (1)

η = \frac{T_{g} - T_{w}}{T_{g} - T_{c}} - - - (2) .

5.根据权利要求1所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，所述的步骤a和步骤b采用实验设计和内点优化算法，取冲击孔角度α及风向倾角β为设计参数，即正交试验设计的两个试验因素，其设计域为α∈[30°，90°]，β∈[30°，90°]，选取5水平正交表，即步长为15°；进行响应面回归方程拟合，得到关于平均温度T以及最小压强P的响应面；对响应面模型进行拟合度检查时主要考虑响应面的确定系数，其取值范围为[0，1]。

6.根据权利要求1所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，所述的步骤d分析出的冲击孔角度α＝35°、风向倾角β＝90°。

7.根据权利要求1所述的过渡段简化模型冷却结构优化方法，其特征在于，上述步骤c中，基于壁面平均温度T、最小压强P建立的优化模型及约束为：

式中T为自定义壁面平均温度，T_max为其最大值，P为壁面最小压强，壁面压强值应大于入口压强的98％，α，β分别为冲击孔角度及风向倾角。