本公开属于燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法。
背景技术：
增加燃气轮机涡轮进口温度是提高燃气轮机热效率的有效手段，为保证涡轮叶片寿命，目前常采用气膜冷却等技术以降低涡轮温度。随着数值模拟技术和计算机能力的提高，结合优化方法和cfd(计算流体力学)，可实现气冷涡轮气膜孔(包括气膜孔位置、半径和方向等)的优化，按求解方法分类，包括管流法、源项法和真实气膜孔仿真法等。其中，真实气膜孔仿真法需要兼顾气膜孔的小尺度流动和叶片的大尺度流动，为实现准确模拟导致其网格规模极大(网格数目为千万级)，耗时最多，而由于优化过程中需要大量的样本点，导致整个优化周期较长，因此管流法和源项法逐渐受到人们的亲睐。
管流法计算简单快速，对内冷结构模拟效果较好，但针对气膜冷却的模拟精度有限，特别是真实状态下冷气与主流的掺混(如前缘区)极为复杂，难以通过管流法准确评估气膜冷却效率。源项法无需对气膜孔划分网格，相比真实气膜孔仿真法可节省大量计算时间，并可较好地模拟气膜与主流掺混效果，但需要人为给定叶片表面冷气流量和冷气温度，因此模拟精度极大取决于给定参数的准确性。
综上所述，气冷涡轮气膜孔的优化需要求解方法兼顾精度与速度，而目前尚无一种同时满足该条件的方法。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供了一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，包括以下步骤：
步骤s1，基于已有气冷涡轮叶型，进行边界条件设置，采用无气冷涡轮模型进行三维cfd计算，获得无气冷涡轮气膜孔出口位置处的气体静压；步骤s2，基于冷气通道各部分信息、给定的边界条件以及步骤s1中获得的无气冷涡轮气膜孔出口位置处的气体静压，采用管流法进行一维冷气域计算，得到气膜孔出口处的冷气流量和温度；步骤s3，基于气膜孔参数以及步骤s2中获得的气膜孔出口处的冷气流量和温度，通过源项法计算获得叶片壁面平均温度和最大温度；步骤s4，以步骤s3中获得的叶片壁面最高温度和平均温度为优化目标，以气膜孔参数为优化自变量，采用多目标优化算法，获得最终方案。
在本公开的一些实施例中，步骤s1中，给定叶片绝热边界条件时，不考虑冷气并忽略叶片温度对主流区气动力的影响。
在本公开的一些实施例中，步骤s2中，冷气通道各部分中的信息包括腔体、弯管、轴通道以及气膜孔的尺寸。
在本公开的一些实施例中，边界条件包括冷气进口条件和气膜孔参数。
在本公开的一些实施例中，冷气进口条件包括冷气流量和温度；气膜孔参数包括气膜孔位置、方向和半径。
在本公开的一些实施例中，步骤s4中，对某一目标变量进行优化时采用单目标优化方法。
在本公开的一些实施例中，燃气轮机为用于飞机动力的航空燃气轮机。
在本公开的一些实施例中，燃气轮机的涡轮部件用于将热能转换为机械能，其中，高压涡轮静叶为气冷涡轮。
在本公开的一些实施例中，气冷涡轮采用内部冷却和外部气膜冷却。
在本公开的一些实施例中，气冷涡轮外部为高温气体，气冷涡轮内部通过前腔和后腔通入冷却气体，冷气从前腔自下向上流动，从后腔自上向下流动，最终通过叶片上的气膜孔排出至外部高温通道，从而降低涡轮静叶温度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)采用管流法进行计算获取气膜孔处的冷气流量和温度，可快速准确地提供源项法计算所需条件；；
(2)采用源项法进行气冷涡轮计算可较精确模拟气膜冷却效果，弥补了管流法计算精度低的问题；
(3)采用多目标优化算法，建立优化平台，从而实现气冷涡轮气膜孔的快速准确优化。
附图说明
图1为本公开一实施例中燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法流程图。
图2为本公开一实施例中燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法求解过程示例。
具体实施方式
本公开提供了一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，该方法包括以下步骤：采用无气冷涡轮模型进行三维计算并提取气膜孔位置处的压力；采用管流法进行计算获取气膜孔处的冷气流量和温度；采用源项法进行气冷涡轮计算；采用多目标优化对壁面平均温度和最大温度进行优化。本公开所建立的燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，利用源项法弥补管流法计算精度低的问题，利用管流法来提供源项法所需冷气边界条件，可快速准确地模拟气膜冷却效果，并结合多目标优化方法对气膜孔进行改进。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法。本实施例中，燃气轮机为用于飞机动力的航空燃气轮机，涡轮部件用于将热能转换为机械能，其中高压涡轮静叶为气冷涡轮，涡轮外部为高温气体，涡轮内部有两个腔体通入冷却气体，分别为前腔和后腔，冷气从涡轮前腔自下向上流动，从涡轮后腔自上向下流动，最终通过叶片上的气膜孔排出至外部高温通道，从而降低涡轮静叶温度。
图1为本公开一实施例中燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法流程图。如图1，本公开的燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，包括以下步骤：
步骤s1，基于已有气冷涡轮叶型，进行边界条件设置，采用无气冷涡轮模型进行三维cfd计算，获得无气冷涡轮气膜孔出口位置处的气体静压；
步骤s2，基于冷气通道各部分尺寸、给定的边界条件以及步骤s1中获得的无气冷涡轮气膜孔出口位置处静压，采用管流法进行一维冷气域计算，得到气膜孔出口处的冷气流量和温度；
步骤s3，基于气膜孔参数以及步骤s2中获得的气膜孔冷气流量和温度，通过源项法计算获得叶片壁面平均温度和最大温度；
步骤s4，以步骤s3中获得的叶片壁面最高温度和平均温度为优化目标，以气膜孔参数为优化自变量，采用多目标优化算法，获得最终方案。
以下分别对本实施例的燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法的每一步进行详细说明。
步骤s1中，基于已有气冷涡轮叶型，进行边界条件设置，然后采用三维cfd数值仿真，获得叶片表面压力分布，并从中提取无气冷涡轮气膜孔出口位置处的气体静压，步骤s1的求解过程如图2中(a)所示。
需要注意的是，给定叶片绝热边界条件，不考虑冷气并忽略叶片温度对主流区气动力的影响。
步骤s2中，基于一维流动理论，首先输入冷气通道各部分中的信息，然后给定边界条件以及步骤s1中获得的无气冷涡轮气膜孔出口位置处静压，进行管流法计算，最后通过求解非线性方程得到沿程参数以及气膜孔出口处的冷气流量和温度，步骤s2的求解过程如图2中(b)所示。
需要注意的是，冷气通道各部分中的信息包括腔体、弯管、轴通道以及气膜孔的尺寸。
还需要注意的是，边界条件包括冷气进口条件和气膜孔参数。其中，冷气进口条件包括冷气流量和温度；气膜孔参数包括气膜孔位置、方向和半径。
步骤s3中，在步骤s1中基础上，首先在气膜孔位置处添加源项，输入气膜孔方向和半径以及步骤s2中获得的各气膜孔冷气流量和总温作为输入条件，然后通过源项法计算快速获得包括叶片壁面平均温度和最大温度，步骤s3的求解过程如图2中(c)所示。
步骤s4中，以步骤s3中获得的叶片壁面最高温度和平均温度为优化目标，以气膜孔位置、方向、半径为优化自变量，采用多目标优化算法，通过以上建立的优化平台，获得最终方案。
需要注意的是，步骤s4还可以采用单目标优化方法对某一目标变量进行优化，如只对最高温度进行优化。
需要注意的是，本实施例中，燃气轮机气冷涡轮采用内部冷却和外部气膜冷却。
至此，本公开一实施例燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法介绍完毕。
当然，根据实际需要，本公开显示方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本公开提供了一种燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，该方法包括以下步骤：采用无气冷涡轮模型进行三维计算并提取气膜孔位置处的压力；采用管流法进行计算获取气膜孔处的冷气流量和温度；采用源项法进行气冷涡轮计算；采用多目标优化对壁面平均温度和最大温度进行优化。本公开所建立的燃气轮机气冷涡轮气膜孔优化方法，利用源项法弥补管流法计算精度低的问题，利用管流法来提供源项法所需冷气边界条件，可快速准确地模拟气膜冷却效果，并结合多目标优化方法对气膜孔进行改进。
还需要说明的是，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。