一种分段式气膜冷却孔及其设计方法与流程

1.本发明涉及本发明涉及燃气涡轮发动机技术领域，具体而言，涉及一种分段式气膜气膜冷却孔及其设计方法。


背景技术：

2.气膜冷却是应用于重型燃气轮机与航空发动机热端部件的一种重要外部冷却方式，来自压气机的低温气体经过叶片及端壁内部通道，经由叶片及端壁表面所开的气膜孔射流而出，在透平主流环境的作用下，低温气体覆盖在叶片及端壁表面形成一层低温气体保护膜，从而防止了高温主流燃气对叶片及端壁材料本身的烧蚀等危害。
3.而气膜冷却单元的孔型几何会影响冷气射流的结构及其在叶片或端壁表面的覆盖效果，通过合理的孔型设计可以改善气膜冷却的效果。目前较为广泛应用的孔型主要为圆柱形直孔以及带有扩张角度的异型孔，普遍的研究表明带有扩张角度的异型孔比圆孔在更加宽广的吹风比范围内均有更好的冷却效果，但受限于孔型几何，并非所有位置都适合进行异型孔的加工。
4.现有异型孔几何局限性包括：扩张角度越大，冷却效果越好，但孔型更难在叶片前缘等大曲率位置进行加工；扩张角度越大，孔型几何的出口面积比和出口宽度越大，在叶片表面留下的缺口越大，对叶片材料强度不利。
5.其中cn112627904 a公开了一种新型铲斗型气膜冷却孔，铲斗型气膜冷却孔截面形状由入口处的一段圆柱段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状；从侧视方向看，气膜冷却孔的截面宽度由入口到出口为先不变后逐渐扩张；从俯视方向看，气膜冷却孔的展向宽度由入口到出口显著增大，并且出口面积大于入口面积；从气膜冷却孔出口的正上方向下看，冷却孔入口为椭圆形，出口为矩形，此为单段式气膜冷却孔，且圆柱段与后段衔接处展向和流向并不是平滑衔接，孔型几何在射流方向上存在突变，会引起孔内流动结构的变化，连接处台阶容易导致该处存在流动分离区。且在不考虑开孔大小即孔扩张段扩张的程度约束时，孔的流向与展向扩张程度越大，孔下游的冷效相对更为优秀。但考虑到孔型加工会在叶片部分切除材料，以叶片的强度以及孔型加工的难度作为约束，则孔型扩张角度不能无限制的增大，在保证最终扩张角度相同的条件下，如何在叶片强度以及加工难度上的制约下，有更小的出口面积比以及出口宽度，改善现有异型孔几何局限性，改善了冷气在壁面的覆盖效果，提升气膜冷却孔冷却效果的目的是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提供了一种分段式气膜冷却孔及其设计方法，对气膜冷却孔孔型几何的扩张段处采用分段式的设计，改变了气膜冷却孔的几何结构，影响了其冷气射流出流时的流动结构，最终改善了冷气在壁面的覆盖效果，实现了在同等甚至更小的出口面积比和出口宽度条件下，达到了提升气膜冷
却孔冷却效果的目的。
7.有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种分段式气膜冷却孔，包括包括由入口处的直孔段逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状，其中包括第一扩张铲斗型孔和第二扩张铲斗型孔；
8.第一扩张铲斗型孔前接直孔段，其前端为与直孔段形状一致孔型；后接第二扩张铲斗型孔，其中后端为与第二扩张铲斗型孔前端形状一致孔型；从第一扩张铲斗型孔出口的正上方向下看，入口为椭圆形出口为矩形；第二扩张铲斗型孔入口为矩形，出口为孔铲斗型结构；
9.其中第一扩张铲斗型孔的第一扩张段长度l
21
和第二扩张铲斗型孔的第二扩张段长度l
22
的总和与直孔段长度l1的比值为1.4:1；第一扩张段长度l
21
不大于直孔段长度l1；第一扩张段长度l
21
的最小值与直孔段长度l1的比值为1∶5。
10.进一步的，分段式气膜冷却孔射流出流方向与壁面夹角为射流角α为30
°
；第一扩张铲斗型孔相对射流方向流向扩张的角度为第一后倾角β
back1
，相对射流方向横向扩张的角度为第一侧扩角β
lateral1
；第二扩张铲斗型孔相对射流方向流向扩张的角度为第二后倾角β
back2
，相对射流方向横向扩张的角度为第二侧扩角β
lateral2
；第一后倾角β
back1
与第一侧扩角β
lateral1
均为7
°‑
14
°
。
11.进一步的，第二后倾角β
back2
不小于第一后倾角β
back1
；第二后倾角β
back2
为第一后倾角β
back1
‑
14
°
。
12.进一步的，第二侧扩角β
lateral2
不小于第一侧扩角β
lateral1
；第二侧扩角β
lateral2
的角度为第一侧扩角β
lateral1
‑
14
°
。
13.进一步的，第二侧扩角β
lateral2
等于第一侧扩角β
lateral1
。
14.进一步的，直孔段孔径d为1mm。
15.进一步的，直孔段长度l1为2.5mm。
16.进一步的，第一扩张段长度l
21
和第二扩张段长度l
22
的总和为3.5mm。
17.进一步的，气膜冷却孔之间的间距孔间距p为孔径d的6倍。
18.根据本发明第二个目的提出了分段式气膜冷却孔的设计方法，包括如下步骤：
19.(1)根据实际加工需求确定孔径和孔间距p；
20.(2)射流角α为30
°
，直孔段长度l1为2.5mm，根据直孔段长度l1，以及第二扩张段长度l
22
和第一扩张段长度l
21
总和分别限定第二扩张段长度l
22
和第一扩张段长度l
21
范围值；
21.(3)限定第一后倾角β
back1
、第二后倾角β
back2
、第一侧扩角β
lateral1
和第二侧扩角β
lateral2
范围值；
22.(4)通过采用代理模型优化的方法，利用遗传算法寻优，基于大量数值计算结果对各参数进行优化验证。
23.通过以上技术方案，本发明提出了一种分段式气膜冷却孔及其设计方法，具有如下技术效果：本发明通过分段式的几何造型设计方法改变气膜冷却孔几何结构，影响气膜冷却孔孔内射流的流动结构，最终改善冷气在壁面的覆盖形态，提高冷却效果，相较于单段式气膜冷却孔设计方法复杂度提升较小，具有实际加工可行性。
附图说明
24.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1是本发明提供的单段式气膜冷却孔几何参数注释图。
26.图2是本发明提供的单段式气膜冷却孔示意图。
27.图3是本发明提供的多段式气膜冷却孔示意图。
28.图4是本发明提供的单段式气膜孔与多段式气膜孔孔内流动分离区结构对比图。
29.图5是本发明提供的单段式气膜孔与多段式气膜孔有效度面分布对比图分布。
30.图6是本发明提供的单段式气膜孔与多段式气膜孔展向平均有效度分对比图。
31.其中，1为直孔段，2为第一扩张铲斗型孔，3为第二扩张铲斗型孔。
具体实施方式
32.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
34.以下实施例中，几何设计关键参数定义和解释如下：
[0035][0036]
实施例1
[0037]
如图1
‑
2，以单段式气膜冷却孔为例，出口面积比ar定义如下：
[0038][0039]
其中a
exit
为出口处面积，a
in
为进口处面积，a
exit
与a
in
位置如图1所示；
[0040]
吹风比的定义如下：
[0041][0042]
其中ρ为密度，u为速度，coolant下标表示冷气的参数，∞下标表示主流的参数。吹风比是一个衡量冷气用量的工况参数而非几何参数。
[0043]
为方便理解，实施例中对气膜冷却孔的命名采取以下规则：对于单段式气膜冷却孔，采取“射流角
‑
后倾角
‑
侧扩角”的命名规则，如“30
‑9‑
14”表示射流角为30
°
，后倾角为9
°
，侧扩角为14
°
的气膜孔冷却孔。对于多段式冷却孔，采取“射流角
‑
后倾角1&后倾角2相对后倾角1增加度数
‑
侧扩角1&侧扩角2相对侧扩角1增加度数”形式规则，若只在单一角度上进行分段式设计，则只有相应角度处命名分段。如“30
‑
7&7
‑
14”表示该气膜冷却孔为采取后倾角分段式设计，其中第一段后倾角为7
°
，第二段后倾角为在第一段基础上增加7
°
的14
°
，侧扩角不分段。
[0044]
如图3，本实施例提出了一种分段式气膜冷却孔，包括包括由入口处的直孔段1逐渐通过展向和流向两个方向的扩张过渡为铲斗形状，其中包括第一扩张铲斗型孔2和第二扩张铲斗型孔3；
[0045]
第一扩张铲斗型孔2前接直孔段1，其前端为与直孔段1形状一致孔型；后接第二扩张铲斗型孔3，其中后端为与第二扩张铲斗型孔3前端形状一致孔型；从第一扩张铲斗型孔2出口的正上方向下看，入口为椭圆形出口为矩形；第二扩张铲斗型孔3入口为矩形，出口为孔铲斗型结构；
[0046]
其中第一扩张铲斗型孔2的第一扩张段长度l
21
和第二扩张铲斗型孔3的第二扩张段长度l
22
的总和与直孔段1长度l1的比值为1.4∶1；第一扩张段长度l
21
不大于直孔段1长度l1；第一扩张段长度l
21
的最小值与直孔段1长度l1的比值为1∶5。
[0047]
为优化本实施例分段式气膜冷却孔射流出流方向与壁面夹角为射流角α为30
°
；第一扩张铲斗型孔2相对射流方向流向扩张的角度为第一后倾角β
back1
，相对射流方向横向扩张的角度为第一侧扩角β
lateral1
；第二扩张铲斗型孔3相对射流方向流向扩张的角度为第二后倾角β
back2
，相对射流方向横向扩张的角度为第二侧扩角β
lateral2
；第一后倾角β
back1
与第一侧扩角β
lateral1
均为7
°‑
14
°
。
[0048]
为优化本实施例，第二后倾角β
back2
不小于第一后倾角β
back1
；第二后倾角β
back2
为第一后倾角β
back1
‑
14
°
。
[0049]
为优化本实施例，第二侧扩角β
lateral2
不小于第一侧扩角β
lateral1
；第二侧扩角β
lateral2
的角度为第一侧扩角β
lateral1
‑
14
°
。
[0050]
为优化本实施例，第二侧扩角β
lateral2
等于第一侧扩角β
lateral1
。
[0051]
为优化本实施例，直孔段1孔径d为1mm。
[0052]
为优化本实施例，直孔段1长度l1为2.5mm。
[0053]
为优化本实施例，第一扩张段长度l
21
和第二扩张段长度l
22
的总和为3.5mm。
[0054]
为优化本实施例，气膜冷却孔之间的间距孔间距p为孔径d的6倍。
[0055]
分段式气膜冷却单元几何设计方法中对于气膜冷却孔扩张段部分采取分段式的扩张结构，扩展了气膜冷却孔几何的设计空间自由度，固定气膜冷却孔射流角为30
°
，直孔段1长度为2.5mm，两段扩张段长度和为3.5mm，孔间距为6mm，孔径为1mm。根据直孔段1长度
l1，以及第二扩张段长度l
22
和第一扩张段长度l
21
总和分别限定第二扩张段长度l
22
和第一扩张段长度l
21
范围值；限定第一后倾角β
back1
、第二后倾角β
back2
、第一侧扩角β
lateral1
和第二侧扩角β
lateral2
范围值。设计参数的取值范围如表1所示。
[0056]
表1多段式气膜孔各参数取值
[0057][0058]
确定设计参数取值范围后，针对其两段扩张段的后倾角和侧扩角进行代理模型优化利用遗传算法寻优，基于大量数值计算结果对各参数进行优化验证优化以得到性能最优的气膜冷却孔。在设计空间范围内进行采样，利用27种气膜冷却孔162组工况下的数据点作为样本数据集合。表2给出了建立模型样本集时采样气膜冷却孔的设计参数范围。
[0059]
表2样本集采样数值范围
[0060]
[0061][0062]
根据该样本集建立代理模型后对设计范围内的气膜冷却孔性能进行寻优，最终给出优化后的气膜冷却孔设计参数。其中优化后的分段式气膜冷却孔(opt孔型)设计参数如表3所示。
[0063]
表3优化后多段式异型孔几何设计变量数值
[0064][0065]
经优化验证后的分段式气膜冷却孔与传统异型孔对比进行性能分析和比较，新气膜冷却孔可以在更小出口面积比ar和更小出口宽度t/p(更有利于气膜冷却孔的加工与叶片的强度)条件下实现多吹风比条件下冷却效果的提升。气膜冷却孔冷却效果一般由其气膜有效度来表征，定义如下：
[0066][0067]
其中t
aw
为当地的绝热温度，t
∞
为主流温度，t
coolant
为冷却气温度。
[0068]
分析气膜冷却孔在壁面上冷气覆盖效果以及下游冷却效果情况时，选用气膜孔下游的展向平均气膜有效度分布来作为评价指标。展向平均气膜有效度定义如下：
[0069][0070]
分段式的优化气膜冷却孔在多吹风比范围内的冷气覆盖情况和冷却效果均相对单段式气膜冷却孔取得了性能的提升。
[0071]
在评价一个气膜冷却孔的综合冷却性能时，选用孔下游0～30倍孔径范围内的面积平均气膜有效度作为其性能的评价标准，面积平均气膜有效度定义如下：
[0072][0073]
表4表示了分段式气膜冷却孔相对于同等约束条件下单段式气膜冷却孔的性能提升效果。
[0074]
表4分段式气膜冷却孔相对于同等约束条件下单段式气膜冷却孔的性能提升效果
[0075][0076][0077]
实施例2
[0078]
如图4，对单段式气膜冷却孔与多段式气膜冷却孔孔内流动分离区结构对比，通过比较30
‑7‑
7和30
‑
14
‑
14基础气膜冷却孔孔内的流线图，可以看出大扩张角度的气膜冷却孔孔内分离区更大，起到了压迫射流的作用，使得冷气实际的射出角度要小于几何射流角，从而获得了更好的冷气铺展能力以及高吹风比下更好的冷却效果。而通过后倾角分段后孔内
射流分离区的位置会由于气膜冷却孔几何多段扩张的结构而更靠近出口处。进一步降低了冷气实际出射角度，更有利于冷气在壁面的覆盖。
[0079]
另一方面，相对于基础气膜冷却孔，采用分段式设计的气膜冷却孔可以明显减小孔内分离区大小。过大的分离区会使得孔内射流方向上的再附变的困难，增加了气膜冷却孔出口尤其是靠近下游一侧倒灌的风险。通过分段式的设计降低了分离区大小，减弱了气膜冷却孔出口下游处主流倒灌的趋势，使得气膜冷却孔设计扩张角度可选的范围更大，更加具有实用意义。
[0080]
实施例3
[0081]
如图5，对单段式气膜冷却孔与多段式气膜冷却孔有效度面分布对比，通过实施例1中得到的对优化后分段式气膜冷却孔(opt)的冷效分布云图与单段式气膜冷却孔30
‑9‑
14的冷效云图做对比，分段式优化气膜冷却孔相对30
‑9‑
14在冷效分布上即可观察到流向的数值提升以及展向的覆盖优势。另外在吹风比为2.5时，30
‑9‑
14孔并未显示出在高吹风比下容易出现的双峰现象，而分段式优化气膜冷却孔可以看到具有双峰特征。
[0082]
如图6展示了优化后分段式气膜冷却孔(opt)的展向平均气膜有效度分布与单段式气膜冷却孔30
‑9‑
14的对比。从图中可以看到，分段式气膜冷却孔(opt)相对30
‑9‑
14孔，其在1.0到2.5吹风比范围内冷效均有所提升，不过随着吹风比提升，优化后气膜冷却孔的冷效提升呈先提升后减弱趋势。
[0083]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。