一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法与流程

1.本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法。


背景技术：

2.为了实现航空发动机与日俱增的推力需求，燃烧室出口温度不断提高，导致热端部件的工作环境变得非常恶劣。由于主流道压力较高，高压涡轮动叶冷却一般采用温度较高的压气机出口引气，冷却效果很大程度上受空气系统布局及叶片冷却结构的影响。尤其是在高马赫数航空发动机中，随着冷气温度进一步提高，冷却介质的冷却品质进一步下降，使得热端部件的冷却需求和供气流量之间的矛盾日益凸显。
3.目前涡轮动叶冷却效果优化多集中在叶片冷却结构的改进，可调元件有限，很难达到预期的效果，由于相同的引气压力下，动叶供气系统的结构布局对进入叶片的冷气压力和流量存在很大影响，进而影响叶片的冷却效果和叶片表面气膜孔逆流裕度，因此若能将空气系统元件与叶片冷却设计元件耦合进行调整，更能接近甚至超越预期冷却效果。然而空气系统和叶片冷却节流元件数量多、流动复杂，想要精准的找出最有效的调节元件很难，同时需要花费大量的时间和人力进行反复迭代。
4.因此，需要提供一种能将空气系统元件和叶片冷却元件耦合分析敏感性的方法以解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，所述分析方法包括如下步骤：s1：获取空气系统节流元件几何参数和涡轮动叶冷却节流元件的几何参数，对前述参数进行耦合计算，得到涡轮动叶内流计算结果，判断涡轮动叶冷却气膜孔逆流裕度是否满足要求，若不满足，则进行s2，若满足，则进行s3；s2：对气膜孔逆流裕度进行敏感性分析，得到气膜孔逆流裕度与相关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将满足要求的最小逆流裕度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1；s3：根据s1获取的内流计算结果进行热分析计算，判断温度场是否满足要求，若不满足，则进行s4，若满足，则进行s5；s4：对不满足材料长期使用温度处的温度进行敏感性分析，得到不满足材料长期使用温度处的温度与相关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将材料长期使用温度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整耦合空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1：
s5：计算涡轮动叶在s3获取的温度场中的强度，若不满足，则进行s6，若满足，则涡轮动叶冷却结构满足要求，敏感性分析结束；s6：对不满足强度要求处的温度进行敏感性分析，得到该温度与关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，计算满足强度的最高温度，以冷气流量为限制条件，将计算的最高温度作目标进行优化，获得满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1。
6.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，关键节流元件为敏感性关系曲线斜率绝对值大于0.1的节流元件。
7.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述s4中的长期使用温度为根据发动机工作包线内最恶劣的状态工作时间确定的材料许用温度。
8.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述分析方法利用仿真模型进行，所述仿真模型为根据初步的流路布局及叶片冷却结构建立的空气系统与叶片冷却耦合仿真模型。
9.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述空气系统节流元件包括与涡轮动叶冷却相关的预旋喷嘴、引气孔、篦齿、缝隙和管路；所述涡轮动叶冷却节流元件包括气膜孔、冲击孔、扰流肋、尾缝、扰流柱和榫头进气孔。
10.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述s1中的耦合计算包括如下步骤：a、读取空气系统计算输入文件，给定向叶片供气的节流元件初始流通面积sa0；b、计算空气系统节流元件进出口压力、温度、流量；c、通过空气系统计算结果获得涡轮动叶冷却的进口压力p0、进口温度t0和进口流量g0；d、对进口压力p0和进口温度t0进行涡轮动叶内流计算，获得涡轮动叶内流计算结果，读取涡轮动叶冷却引气量g1；e、给定流量计算残差要求值ε，进行判断，若|g1-g0|/g0≥ε，则将修正后的面积sa1=sa0+(g1-g0)/g0*sa0设置为空气系统文件中向叶片供气的节流面积，返回步骤a；若|g1-g0|/g0《ε ，则结束耦合计算。
11.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述敏感性分析包括如下步骤：a、选取空气系统节流元件和涡轮动叶的所有节流元件的几何参数；b、设置每个节流元件几何参数基于初始值的变化范围；c、开展试验设计分析，获得多个由节流元件几何参数组合的样本；d、针对c获得的每个样本，进行空气系统与叶片流动耦合计算分析；e、绘制主因素图获得输出变量与节流元件之间的敏感性关系；f、根据敏感性关系选择影响输出变量的参数。
12.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述s3包括如下步骤：s3.1：通过求解流过涡轮动叶型面的粘性流控制微分方程，获得叶片燃气边的外换热系数；s3.2：根据内流计算结果对s3.1获得的外换热系数计算结果进行气膜修正；s3.3：将经过气膜修正后的燃气边换热系数分布、温度分布和压力分布作为叶片内流计算气膜出口边界条件，重新进行内流计算；s3.4：根据气膜修正后的外换热系数、外表面燃气温度分布和内流计算结果，采用线性差值的方法，分别获得叶片内外表面的换热系数和温度分布云图；s3.5：将得到的叶片内边界的换热系数、外边界的换热系数和温度分布加载在叶片模型上，最终得到叶片的温度场结果；s3.6：判断温度场结果是否满足要求。
13.本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，还具有这样的特征，所述s1中的内流计算结果包括涡轮动叶内部各腔流量分配数、换热系数、压力分布和温度分布。
14.有益效果本发明所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却结构敏感性分析方法通过与空气系统耦合设计，避免了人为迭代带来的计算误差，同时提高了设计效率；通过空气系统与叶片冷却耦合敏感性分析，获得冷却效果与空气系统节流元件及叶片冷却结构的几何尺寸之间的敏感性关系，得到影响叶片冷却的关键参数，通过调节关键参数，快速而精准的解决设计过程中的不满足因素，从而有效的解决了涡轮动叶冷却设计分析问题。
附图说明
15.图1为本发明实施例所提供的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却结构敏感性分析方法的流程图；图2为本发明实施例所提供的分析方法的耦合计算模型；图3为本发明实施例所提供的分析方法中的逆流裕度与相关联节流元件参数的敏感性关系图；图4为本发明实施例提供的分析方法中的热分析结果图；图5为本发明实施例提供的分析方法中的温度与相关联节流元件参数的敏感性关系；图6为本发明实施例提供的分析方法中的温度场结果图；图7为本发明实施例所提供的分析方法中的温度与相关联节流元件参数的敏感性关系图。
具体实施方式
16.下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
17.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
18.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
19.术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
20.本发明实施例提供了一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法，如图1所示，所述分析方法包括如下步骤：s1：获取空气系统节流元件几何参数和涡轮动叶冷却节流元件的几何参数，对前述参数进行耦合计算，得到涡轮动叶内流计算结果，判断涡轮动叶冷却气膜孔逆流裕度是否满足要求，若不满足，则进行s2，若满足，则进行s3；其中，气膜孔逆流裕度为气膜孔进出口压力之比；s2：对气膜孔逆流裕度进行敏感性分析，得到气膜孔逆流裕度与相关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将满足要求的最小逆流裕度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1，关键节流元件为敏感性关系曲线斜率绝对值大于0.1的节流元件；s3：根据s1获取的内流计算结果进行热分析计算，判断温度场是否满足要求，若不满足，则进行s4，若满足，则进行s5；s4：对不满足材料长期使用温度处的温度进行敏感性分析，得到不满足材料长期使用温度处的温度与相关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将材料长期使用温度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1，关键节流元件为敏感性关系曲线斜率绝对值大于0.1的节流元件；s5：计算涡轮动叶在s3获取的温度场中的强度，若不满足，则进行s6，若满足，则涡轮动叶冷却结构满足要求，敏感性分析结束；s6：对不满足强度要求处的温度进行敏感性分析，得到该温度与关联节流元件参数的敏感性关系，根据敏感性关系选取关键节流元件，计算满足强度的最高温度，以冷气流量为限制条件，将计算的最高温度作目标进行优化，获得满足要求的关键节流元件几何参数最优组合，根据最优组合参数调整空气系统和叶片冷却节流元件几何参数，调整后返回s1，关键节流元件为敏感性关系曲线斜率绝对值大于0.1的节流元件。其中，满足要求的关键节流元件几何参数最优组合是程序根据优化目标在给定的样本变化范围内自动匹配的
最优组合。
21.在部分实施例中，所述s4中的长期使用温度为根据发动机工作包线内最恶劣的状态工作时间确定的材料许用温度。长期使用温度指发动机在该温度下和低于这个温度时，材料在发动机全寿命周期内，都能安全可靠的工作，超过这个温度，材料的寿命，可靠性，稳定性等参数可能不满足使用要求，该温度一般在材料手册上会有限定。
22.在部分实施例中，所述分析方法利用仿真模型进行，所述仿真模型为根据初步的流路布局及叶片冷却结构建立的空气系统与叶片冷却耦合仿真模型。
23.在部分实施例中，所述空气系统节流元件包括与涡轮动叶冷却相关的预旋喷嘴、引气孔、篦齿、缝隙和管路；所述涡轮动叶冷却节流元件包括气膜孔、冲击孔、扰流肋、尾缝、扰流柱和榫头进气孔。
24.在部分实施例中，所述s1中的耦合计算包括如下步骤：a、读取空气系统计算输入文件，给定向叶片供气的节流元件初始流通面积sa0；b、计算空气系统节流元件进出口压力、温度、流量；c、通过空气系统计算结果获得涡轮动叶冷却的进口压力p0、进口温度t0和进口流量g0；d、对进口压力p0和进口温度t0进行涡轮动叶内流计算，获得涡轮动叶内流计算结果，读取涡轮动叶冷却引气量g1；e、给定流量计算残差要求值ε，进行判断，若|g1-g0|/g0≥ε，则将修正后的面积sa1=sa0+(g1-g0)/g0*sa0设置为空气系统文件中向叶片供气的节流面积，返回步骤a；若|g1-g0|/g0《ε ，则结束耦合计算。
25.在部分实施例中，所述敏感性分析包括如下步骤：a、选取空气系统节流元件和涡轮动叶的所有节流元件的几何参数；b、设置每个节流元件几何参数基于初始值的变化范围；c、开展试验设计分析，获得多个由节流元件几何参数组合的样本；d、针对c获得的每个样本，进行空气系统与叶片流动耦合计算分析；e、绘制主因素图获得输出变量与节流元件之间的敏感性关系；f、根据敏感性关系选择影响输出变量的参数。
26.在部分实施例中，所述s3包括如下步骤：s3.1：通过求解流过涡轮动叶型面的粘性流控制微分方程，获得叶片燃气边的外换热系数；s3.2：根据内流计算结果对s3.1获得的外换热系数计算结果进行气膜修正；s3.3：将经过气膜修正后的燃气边换热系数分布、温度分布和压力分布作为叶片内流计算气膜出口边界条件，重新进行内流计算；s3.4：根据气膜修正后的外换热系数、外表面燃气温度分布和内流计算结果，采用线性差值的方法，分别获得叶片内外表面的换热系数和温度分布云图；s3.5：将得到的叶片内边界的换热系数、外边界的换热系数和温度分布加载在叶片模型上，最终得到叶片的温度场结果；s3.6：判断温度场结果是否满足要求。
27.在部分实施例中，所述s1中的内流计算结果包括涡轮动叶内部各腔流量分配数、换热系数、压力分布和温度分布。
28.在部分实施例中，根据压气机进口流量60kg/s、压气机出口压力450kpa、压气机出口温度980k、涡轮气动数据s1和s2等输入参数进行敏感性分析，步骤如下：步骤1：初步提出叶片供气系统结构及叶片冷却结构；步骤2：针对步骤1提出的供气系统结构和叶片冷却结构建立空气系统与叶片冷却耦合计算模型，如图2所示；步骤3：根据步骤2建立的模型，进行耦合计算，计算结果如表1：表1从上表可知，冷气量为3.462%，满足设计要求，最小逆流裕度为0.998，出现燃气倒灌，不满足设计要求；步骤4：对叶片气膜孔最小逆流裕度进行敏感性分析，得到逆流裕度与相关联节流元件参数的敏感性关系，如图3所示，其中，图3中的apre为空气系统预旋系统接收孔面积；ayx为预旋喷嘴的面积；b-ani1为第一叶片腔进口面积；b-ain2为第二叶片腔进口面积。根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将符合要求的最小逆流裕度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合；根据最优组合参数调整空气系统及叶片冷却耦合输入模型，进行耦合计算，得到表2的数据，表2
计算结果表明在总冷气流量不变的情况下，尾缝的冷气流量降低，其余部分的冷气流量有不同程度的增加；对比各部分最小逆流裕度的变化，可以看出逆流裕度有不同程度的增加，特别是前缘区域的逆流裕度，由原来的0.998提升到1.084，大幅度改善了涡轮叶片前缘的气膜出流情况，增强了涡轮叶片工作可靠性；步骤5：对满足要求的叶片冷却设计结果进行热分析计算，得到如图4所示的温度场结果，可以看出叶片最高温度在前缘处，为1412k，最低温度为1114k，最高温度超过材料许用温度1393k，不满足要求；此时，对叶片前缘温度进行敏感性分析，得到如图5所示的温度与相关联节流元件参数的敏感性关系图，其中，图5中的b-dfp1为叶片根截面气膜孔径；b-dfp2为叶片中截面气膜孔径；b-dfp3为叶片尖截面气膜孔径；b-dout1为第一叶片腔叶尖出气孔直径。根据敏感性关系选取关键节流元件，以冷气流量为限制条件，将材料许用温度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合；根据最优组合参数调整空气系统及叶片冷却耦合输入模型，进行耦合计算、热分析计算，调整后的温度场结果如图6所示，表明叶片的最低温度为1089k，最高温度在前缘处，为1388k，未超过材料的许用温度，满足设计要求，可进行强度计算；步骤6：进行强度计算，计算结果如表3所示表3计算结果表明，涡轮工作叶片在该工况载荷作用下根截面最小持久储备不满足1.3的强度设计要求；对叶片根截面处温度进行敏感性分析，得到温度与相关联节流元件参数的敏感性关系图，如图7所示，其中，图7中a118-9为卸荷腔放气面积；apre为预旋系统接受孔面积;
ayx为预旋喷嘴的面积。根据敏感性关系选取关键节流元件，计算根截面处满足要求的最高温度，以冷气流量为限制条件，将该最高温度作为目标进行优化，得到满足要求的关键节流元件几何参数最优组合；根据最优组合参数调整空气系统及叶片冷却耦合输入模型，进行耦合计算、热分析计算、强度计算，结果如表4所示，表4计算结果表明，调整后根截面的最小持久储备为1.794，满足强度设计要求，则完成与空气系统耦合的涡轮动叶冷却设计与分析。
29.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。