一种基于体积密度分布的气膜孔设计方法与流程

1.本发明涉及涡轮叶片冷却技术领域，公开了一种基于体积密度分布的气膜孔设计方法。


背景技术：

2.目前先进航空发动机涡轮叶片都采用了气膜冷却以提高耐温能力，涡轮叶片内腔的冷却空气通过气膜孔后，在叶身外表面附着以保护涡轮叶片基体不被高温高压燃气烧蚀，气膜孔设计对涡轮叶片耐温能力极为关键。
3.国内外对气膜冷却的结构形式及效果开展了大量的数值和试验研究，但研究对象主要集中于单个气膜孔，而对于气膜孔在涡轮叶片表面的分布研究非常少。与涡轮叶片相比，气膜孔孔径较小（一般在1mm以下），其冷却范围有限，单个涡轮叶片常需要几十、甚至几百个气膜孔，因此，气膜孔的分布对整个涡轮叶片的温度均匀性、应力水平至关重要。
4.目前，国内外的气膜孔分布设计方法基本采用排分布法（如图1所示），即根据涡轮叶片温度场，沿叶型（周向）分布一排一排气膜孔。该方法可改善叶型周向方向的温度不均匀性，但无法充分考虑涡轮叶片径向方向温度均匀性和整个涡轮叶片的强度水平。叶身温度在径向和周向上都是不均匀的，按排分布设计的气膜孔只能解决沿叶型周向温度不均的情况，无法充分考虑径向温度分布不均的问题。同时，涡轮叶片同一位置分布一排气膜孔会导致大量基体材料缺失，例如叶高30mm的涡轮叶片中有一排20个直径为0.4mm的气膜孔，气膜孔开孔总长度为8mm，约占整个涡轮叶片高度27%，意味着该位置的承载能力大幅下降。
5.综上，国内外对于气膜孔在涡轮叶片表面的分布设计研究非常少；同时，常用的排分布设计方法无法充分考虑涡轮叶片整体温度均匀性和强度水平，缺乏一种充分考虑涡轮叶片径向、周向温度不均匀和应力不均匀的气膜孔分布设计方法，以达到提高涡轮叶片温度均匀性和提高涡轮叶片强度的目的。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于体积密度分布的气膜孔设计方法，可以综合考虑涡轮叶片的温度和应力分布特点，通过权重分配以平衡温度均匀性和低应力水平要求，得到兼顾冷却和强度的涡轮叶片气膜孔综合分布方案，满足实际工程应用。
7.为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：一种基于体积密度分布的气膜孔设计方法，包括如下步骤：步骤1、根据航空发动机涡轮叶片工况要求，分别计算无气膜孔的单个涡轮叶片的温度场和应力场；步骤2、根据温度场进行气膜孔孔型设计，通入单个涡轮叶片内部的冷气的流量、单孔流量，确定气膜孔孔数n；步骤3、分别将单个涡轮叶片的温度场、应力场划分为n个体积域，分别针对单个涡轮叶片进行基于均衡温度的体积域气膜孔分布设计和基于均衡应力的体积域气膜孔分布
设计；步骤4、根据涡轮叶片的工况要求和不同部位的温度场、应力场分布特点，分别赋予基于均衡温度的体积域和基于均衡应力的体积域不同的权重，平衡温度和应力不均匀性，得到兼顾温度场和应力场的涡轮叶片气膜孔分布方案。
8.进一步地，步骤1中根据涡轮叶片进出口燃气温度、压力、流速，以及冷气温度、压力、流速、流量，进行不带气膜孔涡轮叶片传热计算，获取无气膜孔涡轮叶片的温度场。
9.进一步地，步骤1中根据无气膜孔涡轮叶片温度场以及转速、压力、涡轮叶片载荷，进行不带气膜孔涡轮叶片强度计算，获取无气膜孔涡轮叶片应力场。
10.进一步地，步骤2中气膜孔孔数=单个涡轮叶片冷气流量/单孔流量。
11.进一步地，步骤3中基于均衡温度的体积域气膜孔分布设计流程为：将涡轮叶片分为n个体积域vk，使每个体积域vk内的温度总量均为tm；将n个气膜孔分布在每个体积域vk内，实现单个气膜孔所在体积域vk内的温度总量相同；其中，，tm为单个气膜孔覆盖的平均温度，t
t
为整个涡轮叶片叶身的温度总量，ti为单位体积dv的温度。
12.进一步地，步骤3中基于均衡应力的体积域气膜孔分布设计流程为：将涡轮叶片分为n个体积域vs，使每个体积域vs内的应力总量均为σm；将n个气膜孔分布在每个体积域vs内，实现单个气膜孔所在的体积域vs内应力总量相同；其中，，σm为单个气膜孔覆盖的平均应力，σ
t
为整个涡轮叶片叶身的应力总量，σi为单位体积dv的应力。
13.进一步地，根据步骤4中得到的涡轮叶片气膜孔分布方案，分别进行带气膜孔涡轮叶片的温度评估和带气膜孔涡轮叶片的强度评估，均满足设计要求后确定为合格的涡轮叶片气膜孔分布方案；否则调整气膜孔孔型或通入单个涡轮叶片内部的冷气的流量、单孔流量参数，重复步骤2-4，直至满足温度评估和强度评估满足设计要求。
14.进一步地，温度评估方法为：进行带气膜孔涡轮叶片的传热计算，获取带气膜孔涡轮叶片的温度场，最高温度低于材料长期使用温度，则判断为满足温度要求。
15.进一步地，强度评估方法为：获取带气膜孔涡轮叶片应力场，涡轮叶片最大应力低于设计使用的许可应力值，则判断为满足要求。
16.与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：1、本发明中基于均衡温度的气膜孔分布可以充分规避径向温度分布差异大的问题，而基于应力的气膜孔分布可规避多个气膜孔聚集在高应力区，提高涡轮叶片强度；通过综合考虑涡轮叶片的温度和应力分布特点，通过权重分配以平衡温度均匀性和低应力水平要求，得到兼顾冷却和强度的涡轮叶片气膜孔综合分布方案，满足实际工程应用。
17.2、本发明根据涡轮叶片径向、周向温度分布和应力分布特征，采用体积密度分布的气膜孔设计，建立了标准化的设计流程，以达到提高涡轮叶片温度均匀性和提高涡轮叶
片强度的目的，综合性强、灵活性大，可用于涡轮导向涡轮叶片及涡轮转子涡轮叶片的气膜孔分布设计，还可推广用于航空发动机燃烧室火焰筒和喷管等结构的气膜孔设计，具有极大工程应用价值。
附图说明
18.图1为传统的涡轮叶片气膜孔分布示意图；图2为实施例2中基于体积密度分布的气膜孔设计方法流程图；图3是实施例2中只考虑温度不均匀的气膜孔设计获得的高压涡轮工作叶片示例图。
19.其中，10、涡轮叶片；20、气膜孔；11、前缘中部；12、尾缘；13、前缘根部；14、前缘尖部。
具体实施方式
20.下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
21.实施例1参见图1，一种基于体积密度分布的气膜孔设计方法，包括如下步骤：步骤1、根据航空发动机涡轮叶片10工况要求，分别计算无气膜孔的单个涡轮叶片10的温度场和应力场；步骤2、根据温度场、气膜孔20孔型设计和通入单个涡轮叶片10内部的冷气的流量、单孔流量，确定气膜孔20孔数n；步骤3、分别将单个涡轮叶片10的温度场、应力场划分为n个体积域，分别针对单个涡轮叶片10进行基于均衡温度的体积域气膜孔20分布设计和基于均衡应力的体积域气膜孔20分布设计；步骤4、根据涡轮叶片10的工况要求和不同部位的温度场、应力场分布特点，分别赋予基于均衡温度的体积域和基于均衡应力的体积域不同的权重，平衡温度和应力不均匀性，得到兼顾温度场和应力场的涡轮叶片10气膜孔20分布方案。
22.在本实施例中，根据涡轮叶片10径向、周向温度分布和应力分布特征，采用体积密度分布的气膜孔20设计，将叶身根据气膜孔20个数分解为不同体积大小的体积域，使每个体积域的温度总量或应力总量相同，即每个气膜孔20冷却区域的温度相等，以实现温度均匀化，或者使每个气膜孔20覆盖区域的应力相等，规避多个气膜孔20聚集在高应力区，以提高涡轮叶片10强度。本实施例中基于均衡温度的气膜孔20分布可以充分规避径向温度分布差异大的问题，而基于应力的气膜孔20分布可规避多个气膜孔20聚集在高应力区，相较于传统的涡轮叶片气膜孔分布，该方法所涉及的气膜孔分布可以提高涡轮叶片10强度；通过综合考虑涡轮叶片10的温度和应力分布特点，通过权重分配以平衡温度均匀性和低应力水平要求，得到兼顾冷却和强度的涡轮叶片10气膜孔20综合分布方案，满足实际工程应用。
23.本实施例中，因为除涡轮叶片10上开气膜孔20会导致应力集中外，温度不均匀带来的温度梯度也会导致温度应力产生；但对于权重的分配上，一般可优先考虑温度不均匀，
因此本实施例在涡轮叶片10工程设计中，基于均衡温度与均衡应力的体积域分布权重比按7:3~6:4进行。
24.实施例2参见图1-3，本实施例以某一型号的涡轮叶片气膜孔分布设计为例，对本发明的方案进行说明。具体包括如下步骤：1）计算无气膜孔涡轮叶片10温度场根据涡轮叶片10进出口燃气温度、压力、流速，以及冷气温度、压力、流速、流量，进行不带气膜孔涡轮叶片10传热计算，获取无气膜孔涡轮叶片10的温度场（温度分布云图）。
25.2）确定气膜孔孔数n步骤根据涡轮叶片10温度场根据温度场进行气膜孔孔型设计，通入单个涡轮叶片10内部的冷气的流量、单孔流量等，结合气膜孔孔型和冷却效率，初步进行气膜孔参数设计，并确定气膜孔孔数n；本实施例中，气膜孔孔数=单个涡轮叶片冷气流量/单孔流量。
26.3）计算体积域vk内温度总量tm根据涡轮叶片10的温度场，计算整个涡轮叶片10的温度总量；其中，ti为单位体积dv的温度，t
t
为整个涡轮叶片10的温度总量；根据涡轮叶片10温度总量t
t
和气膜孔孔数n，计算单个气膜孔覆盖的平均温度tm=t
t
/n。
27.4）基于均衡温度获取体积密度分布将涡轮叶片10分为n个体积域vk，使每个体积域vk内的温度总量均为tm；将n个气膜孔分布在每个体积域vk内，实现单个气膜孔所在体积域vk内的温度总量相同。
28.5）计算无气膜孔涡轮叶片10应力场根据无气膜孔涡轮叶片10温度场以及转速、压力、涡轮叶片10载荷，进行不带气膜孔涡轮叶片10强度计算，获取无气膜孔涡轮叶片10应力场（应力分布云图）。
29.6）计算体积域vs内应力总量σm根据涡轮叶片10的应力场，计算整个涡轮叶片10的应力总量；其中，σi为单位体积dv的应力，σ
t
为整个涡轮叶片10的应力总量；根据涡轮叶片10应力总量σ
t
和气膜孔孔数n，计算单个气膜孔覆盖的平均应力。
30.7）基于均衡应力获取体积密度分布将涡轮叶片10分为n个体积域vs，使每个体积域vs内的应力总量均为σm；将n个气膜孔分布在每个体积域vs内，实现单个气膜孔所在的体积域vs内应力总量相同；8）确定气膜孔分布方案从步骤4）和步骤7）分别获取了基于均衡温度的体积域vk和基于均衡应力的体积域vs，通过分配体积域vk和vs不同权重，以平衡温度均匀性和应力大小，得到兼顾温度场和应力场的涡轮叶片10气膜孔分布方案。
31.在实际工程设计中，若涡轮叶片10温度场不均匀程度大、应力水平偏低，可以设置基于均衡温度的体积域vk权重为100%，而基于均衡应力的体积域vs权重为0，则仅通过步骤1）~步骤4），得到只考虑温度不均匀的气膜孔设计方案，即每个气膜孔冷却区域的温度相
等，以达到温度均匀化的目的。如图1所示为常规气膜孔分布，涡轮叶片10上的气膜孔20分布按一排一排设计，无法充分考虑沿径向的温度不均匀性，并降低涡轮叶片10应力水平。而图3中为高压涡轮工作叶片，该涡轮叶片10前缘中部11一般为高温区，涡轮叶片10尾缘12为低温区，涡轮叶片10前缘根部13、涡轮叶片10前缘尖部14为中温区，通过本实施例的步骤1）~4）进行只考虑温度不均匀的气膜孔设计，可在高温区涡轮叶片10前缘中部11分布较密的气膜孔，单个气膜孔覆盖的体积小，而涡轮叶片10尾缘12温度低，气膜孔分布较稀，单个气膜孔覆盖的体积大，中温区涡轮叶片10前缘根部13和涡轮叶片10前缘尖部14介于之间，高温度气膜孔分布密，低温区气膜孔分布稀，整个涡轮叶片10呈现温度分布与气膜孔分布自协调现象。
32.若涡轮叶片10应力水平偏高、温度相对均匀，可以设置基于均衡应力的体积域vs权重为100%，而基于均衡温度的体积域vk权重为0，则可跳过步骤3）~步骤4），仅通过步骤5）~步骤7）得到考虑应力分布的气膜孔设计方案，即每个气膜孔覆盖区域的应力相等，避免多个气膜孔聚集在高应力区，以提高涡轮叶片10强度。
33.对于其他形式的涡轮叶片10，其温度场不均匀程度以及应力水平对涡轮叶片10均有影响，则根据实际的温度场不均匀程度和应力分布情况，结合工况要求，进行适当的vk和vs权重分配。一般可优先考虑温度不均匀，因此本实施例在涡轮叶片10工程设计中，基于均衡温度与均衡应力的体积域分布权重比按7:3~6:4进行。
34.9）带气膜孔涡轮叶片10的温度评估本实施例中是通过带气膜孔涡轮叶片10的传热计算，获取带气膜孔涡轮叶片10的温度场，若最高温度低于材料长期使用温度，则判断为满足温度要求，则进行强度评估；若最高温度大于等于材料长期使用温度，则调整气膜孔孔型或通入单个涡轮叶片10内部的冷气的流量、单孔流量参数，并重复步骤2）～步骤8），直至满足温度要求。
35.10）带气膜孔涡轮叶片10的强度评估获取带气膜孔涡轮叶片10应力场，涡轮叶片10最大应力低于设计使则调整气膜孔孔型或通入单个涡轮叶片10内部的冷气的流量、单孔流量参数，并重复步骤2）～步骤9），直至满足强度要求。
36.以上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。