[发明专利]一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法

说明书

本发明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，包括如下步骤：S1：判断涡轮动叶冷却气流量和气膜孔逆流裕度是否满足要求；S2：对气膜孔逆流裕度进行敏感性分析；S3：判断温度场是否满足要求；S4：对不满足材料长期使用温度处的温度进行敏感性分析；S5：计算涡轮动叶在S3获取的温度场中的强度；S6：对不满足强度要求处的温度进行敏感性分析。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，从而解决了涡轮动叶冷却设计。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。