CN113609615B - 一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，包括如下步骤：步骤一：确定各排气膜的孔径、孔数、冷气量、冷气温度、吹风比及动量比等设计参数；步骤二：确定各排气膜径向最小R值、最大R值，及二者对应的沿叶型起始无量纲弧长；步骤三：针对各排气膜的叶身修正截面高度计算；步骤四：各修正截面对应气膜孔排的沿叶型起始无量纲弧长位置计算；步骤五：单排气膜孔在各修正截面的冷效计算及修正结果；步骤六：多排气膜孔冷效计算叠加及气膜修正；步骤七：输出全叶身表面的气膜修正结果。本发明通过无量纲定位方式快速对气膜孔的位置进行调整并计算，提高了气膜修正的计算效率；采用单排全更新方法，可以随时增加或减少气膜。

Description

一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机涡轮冷却叶片的设计分析技术领域，具体是一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法。

背景技术

随着航空发动机的发展，提高涡轮前温度是提高发动机性能的关键手段。高的涡轮前温度要求发展更先进的冷却技术，其中，气膜冷却是诸多冷却技术中最为重要且适用性最广的冷却技术，随着涡轮前进口温度的提升，涡轮叶片中多排气膜冷却技术方案已逐渐推广应用，其燃气侧的多排气膜冷效修正计算方法至关重要。

涡轮气膜冷却叶片中的多排气膜冷效修正计算方法是为了获得多排气膜冷却条件下叶片燃气侧的实际恢复温度分布，已有的技术方案中，多排气膜冷效计算通过离散气膜孔坐标定位方式与多排冷效叠加公式，计算效率低下，且无法实现反馈式设计，只能实现校核式计算。

因此，本发明提供了一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，以解决如下技术问题：

1)气膜孔定位采用离散孔坐标定位方式，提取及更新气膜孔坐标工作量巨大，且易出错，无法实现调整设计；

2)多排气膜冷效计算中，采用气膜冷效叠加公式计算，迭代过程中参数易出错，径向气膜孔高度的差异性无法调整，计算迭代效率低下。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，包括如下步骤：

步骤一：确定各排气膜的孔径、孔数、冷气量、冷气温度、吹风比及动量比；

步骤二：确定各排气膜径向最小R值(RL)、最大R值(RH)，及对应最小R值的沿叶型起始无量纲弧长(XRL)、对应最大R值的沿叶型起始无量纲弧长(XRH)；

步骤三：针对各排气膜的叶身修正截面高度计算；

步骤四：各修正截面对应气膜孔排的沿叶型起始无量纲弧长位置计算；

步骤五：单排气膜孔在各修正截面的冷效计算及修正结果；

步骤六：多排气膜孔冷效计算叠加及气膜修正；

步骤七：输出全叶身表面的气膜修正结果。

根据本发明的一个实例性的实施例，步骤五中气膜冷效关系式为：η＝f(M，xi₎)；

气膜冷效具体模型为

式中，P为相邻气膜孔的孔间距，t为气膜出流段的径向覆盖长度，D为气膜孔孔径，M为气膜出流吹风比，AR为气膜孔的出流面积比，x_i为气膜覆盖距离；

气膜冷效定义为

式中，T_g为第j排气膜修正前的叶身燃气恢复温度，T_aw为第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度，T_c为气膜出流的冷气温度，T_aw为第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明在气膜孔定位方面，通过无量纲的定位方式快速对气膜孔的位置进行调整并计算，实现所见即所得的气膜冷效修正计算，大幅提高了气膜修正的计算效率。

2、本发明在多排气膜修正方面，不采用叠加冷效计算方法，采用单排全更新方法，一方面可以提高效率，另一方面可以直观地看到每排的影响，可以随时增加或减少气膜。

3、本发明所涉及的多排气膜冷效修正计算，可实现沿径向、型线方向无量纲化定位及快速气膜修正计算。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明提供的涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法的实施步骤示意图；

图2为多排叶身气膜分布排列示意图；

图3为叶背及叶盆侧单排气膜出流示意图；

图4为叶盆侧两排气膜出流示意图；

图5为叶盆侧三排气膜出流示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，如图1-5所示，提供一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，可实现沿径向、型线方向无量纲化定位及快速气膜修正计算，包括如下步骤：

步骤一：确定各排气膜的孔径、孔数、冷气量、冷气温度、吹风比及动量比等设计参数。

具体地，对于步骤一，基于气膜冷却设计确定气膜冷效计算的关键参数，主要包括气膜出流冷气温度Tc、冷气雷诺数Rec及冷气吹风比M。

步骤二：确定各排气膜径向最小R值(RL)、最大R值(RH)，及对应最小R值的沿叶型无量纲弧长(XRL)、对应最大R值的沿叶型无量纲弧长(XRH)。

具体地，对于步骤二，各排气膜径向最小R值(RL)及最大R值(RH)分别对应于径向最小和最大的半径高度；对应最小R值的沿叶型无量纲弧长(XRL)、对应最大R值的沿叶型无量纲弧长(XRH)分别对应最小R截面和最大R截面处的气膜孔在当前叶型的起始无量纲位置；XRL与XRH为介于0～1.0之间的数值，其物理意义对应于当前点位置点距离前缘驻点的弧长与前缘驻点到尾缘分界点的弧长之比。

步骤三：针对各排气膜的叶身修正截面高度计算。

具体地，对于步骤三，针对各排气膜的叶身修正截面高度计算是为了判断叶身上每个截面受到哪几排气膜冷却的影响。假设叶身沿径向高度分为11个截面，分别为R(0)～R(10)，对应于叶身的0％、10％、20％...90％、100％等11个径向高度截面。

假设当前截面为R(i)，对于第j排气膜，当R(i)≤RL(j)≤R(i+1)，第j排气膜的径向最小修正截面介于R(i)截面与R(i+1)截面之间。当RL(j)≤R(i+1)-C[R(i+1)-R(i)]时，取第j排气膜的径向最小修正截面RFL(j)为R(i)，否则取R(i+1)。

对于第j排气膜，当R(i-1)≤RH(j)≤R(i)，第j排气膜的径向最大修正截面介于R(i-1)截面与R(i)截面之间。当RH(j)≥R(i-1)+C(R(i)-R(i-1))时，取第j排气膜的径向最大修正截面RFH(j)为R(i)，否则取R(i-1)。

对于圆孔气膜，修正系数C取0.6(即气膜孔需更靠近R(i)截面才能影响到R(i)截面)；对于扩张型异型孔，修正系数C取0.4(即气膜孔可远离R(i)截面，覆盖效果同样可影响到R(i)截面)。

由此，可获得对应第j排气膜孔的叶身最小修正截面高度RFL(j)及最大修正截面高度RFH(j)。

步骤四：各修正截面对应气膜孔排的沿叶型无量纲弧长计算。

具体地，步骤四在步骤三的基础上，针对于第j排气膜孔，叶身截面从RFL(j)～RFH(j)都需要计算出气膜修正的起始无量纲弧长位置。根据前述的对应关系可知，RFL(j)截面的气膜起始位置即为XRL(j)，RFH(j)截面的气膜起始位置即为XRH(j)。对于其他截面，采用径向线性插值方式求解。假设当前截面为R(i)，且RFL(j)<R(i)<RFH(j)。针对于第j排气膜孔，当前截面R(i)的气膜修正起始位置为：

由此，可实现气膜孔排按任意方向(即不限于仅沿Z径向方向排列)直线式排列布局的气膜起始修正位置的计算，在获得气膜起始修正位置的基础上，该位置到叶片尾缘点的弧长即为第j排气膜冷却需要修正的实际弧长。

步骤五：单排气膜孔在各修正截面的冷效计算及修正结果。

具体地，步骤五在步骤三和步骤四的基础上，已获得了第j排气膜孔对应的叶身修正截面及各截面的气膜起始修正位置。步骤5是在此基础上实现第j排气膜的全叶身冷效修正计算。基于气膜冷效与气膜吹风比M、气膜覆盖距离xi(具体指当前叶型位置距离第j排气膜孔的弧长距离)，可获得第j排的气膜冷效：

ηf(M,x_i)

在此基础上，根据气膜冷效定义：

式中，T_g为第j排气膜修正前的叶身燃气恢复温度，T_aw为第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度，T_c为气膜出流的冷气温度。由此可获得第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度T_aw(即气膜修正结果)。

下面，给出气膜冷效的模型：

其中，

式中，P为相邻气膜孔的孔间距(孔中心线距离)，t为气膜出流段的径向覆盖长度，D为气膜孔孔径，M为气膜出流吹风比，AR为气膜孔的出流面积比(出流口截面积与进气口截面积之比)，x_i为气膜覆盖距离。

步骤六：多排气膜孔冷效计算叠加及气膜修正。

具体地，步骤六在单排气膜冷效计算及修正的基础上，针对多排气膜修正计算，采用从叶片前缘到尾缘气膜孔排依次修正更新计算的方式实现多排气膜的叠加修正计算。

针对第j+1排气膜孔，其在气膜修正前的燃气恢复温度T_g为第j排气膜修正后的恢复温度，即用第j排气膜冷效修正的T_aw作为第j+1排气膜冷效修正的T_g中，可获得第j+1排气膜冷效修正后的燃气恢复温度T_aw。值得注意的是，第j+1排气膜孔的起始修正位置在第j排气膜孔后，第j排气膜孔与第j+1排气膜孔之间的叶身燃气恢复温度即为第j排气膜孔修正后的T_aw。以此类推，可实现全叶身多排气膜的冷效修正计算。

步骤7：输出全叶身表面的气膜修正结果。

具体地，步骤七在全叶身多排气膜冷效修正后，按截面沿叶型输出气膜冷效修正结果T_aw的分布。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定各排气膜的孔径、孔数、冷气量、冷气温度、吹风比及动量比；

步骤二：确定各排气膜径向最小R值(RL)、最大R值(RH)，及对应最小R值的沿叶型起始无量纲弧长(XRL)、对应最大R值的沿叶型起始无量纲弧长(XRH)；

步骤三：针对各排气膜的叶身修正截面高度计算；

步骤四：各修正截面对应气膜孔排的沿叶型起始无量纲弧长位置计算；

步骤五：单排气膜孔在各修正截面的冷效计算及修正结果；

步骤六：多排气膜孔冷效计算叠加及气膜修正；

步骤七：输出全叶身表面的气膜修正结果。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片多排气膜冷效修正计算方法，其特征在于，步骤五中气膜冷效关系式为：η＝f(M，x_i)；

气膜冷效具体模型为

式中，P为相邻气膜孔的孔间距，t为气膜出流段的径向覆盖长度，D为气膜孔孔径，M为气膜出流吹风比，AR为气膜孔的出流面积比，x_i为气膜覆盖距离；

气膜冷效定义为

式中，T_g为第j排气膜修正前的叶身燃气恢复温度，T_aw为第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度，T_c为气膜出流的冷气温度，T_aw为第j排气膜修正后的叶身燃气恢复温度。