一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法与流程

1.本发明涉及航空发动机设计技术领域，具体涉及一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法


背景技术：

2.在航空发动机设计过程中，提高涡轮进口燃气温度是改善航空发动机性能的重要途径。相同发动机尺寸下，涡轮进口燃气温度每提高55℃，推力就能提高10％左右。目前，世界先进军用航空发动机涡轮进口燃气温度可以达到1970k，这样的温度是叶片材料无法承受的。且涡轮进口燃气温度的增长速度远远高于材料耐温程度的增长速度。因此，我们需要设计先进的冷却结构，来适应不断提高的涡轮前温度。
3.目前，国内外对涡轮冷却结构的研究现状和发展趋势主要是针对层板型涡轮冷却叶片进行设计。根据计算，使用双层壁涡轮叶片可以将冷却效率提高20％～30％，涡轮前温度提高222～333℃。我们要发展高性能的五代机叶片，乃至更先进的下一代叶片，双层壁涡轮叶片都是具有重大潜力的基础结构。
4.冷气流量的多少是影响层板结构冷却效果好坏的重要因素。而目前，使用数值方法对双层壁涡轮叶片进行流量评估的一般方法可以分为cfd计算和流体网络法两种。双层壁涡轮叶片一般结构较为复杂，使用cfd计算方法进行研究需要耗费大量的时间；流体网络法一般计算较快，但内部排布复杂的层板结构往往难以简化为低维网络结构。另一方面，人工智能算法已经广泛应用于航空发动机设计领域，并已取得了丰硕的成果。为此，本发明使用人工智能算法建立了大面积层板冷却结构的流量分配预测模型。以解决层板结构流量分配快速预测问题。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有层板结构流量评估方法计算复杂、耗费时间且难以简化为低维网络结构的问题，提供一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法。
6.一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法，针对双层壁叶片层板冷却结构，将多排气膜孔、冲击孔的流量分配预测问题拆解为局部流量预测和整体流量修正；该预测方法通过局部流量预测模块和整体流量修正模块实现；具体实现步骤如下：
7.步骤一、将涡轮叶片主流压力场、叶片分腔/分区方案、冷却结构几何参数作为所述局部流量预测模块的输入；
8.步骤二、设定层板结构冷气夹层内无横流，所有气膜/冲击孔的流量取决于局部冷却结构几何参数和层板局部内外压差；
9.所述局部流量预测模块将层板结构拆分为若干个局部单元，对于每个局部单元，将气膜孔直径、层板结构内外压差作为所述局部流量预测模块输入，将无横流气膜/冲击孔的流量作为局部流量预测模块的输出；
10.训练bp神经网络，建立局部流量预测模块输入与输出间的关联；并将输出的无横
流气膜/冲击孔的流量输入到整体流量修正模块；
11.步骤三、所述局部流量预测模块将所述涡轮叶片主流压力场、叶片分腔/分区方案、冷却结构几何参数以及无横流气膜/冲击孔的流量作为所述整体流量修正模块的输入；
12.步骤四、所述整体流量修正模块对步骤三输入的数据进行分析，建立层板结构冷气夹层内的流量输运模型，并将所述流量输运模型分为自由横流层和分段修正层；
13.在所述自由横流层内将冲击孔流量的一部分数据提取出来，根据冲击孔直径进行加权平均，分配到各个冲击孔；
14.在所述分段修正层内根据横流强度和冷气的流动特性对各孔排气膜/冲击孔流量进行进一步修正，输出气膜孔排冷气流量、冲击孔排冷气流量以及层板内不同区域冷气流动方向和强度。
15.本发明的有益效果：本发明将涡轮叶片主流场、分腔/分区方案、冷却结构参数作为输入，几秒内即可完成对结构的流量评估。输出结果为各排气膜孔流量、冲击孔流量、层板内横流情况。
16.本发明相比于目前预测涡轮叶片层板冷却结构冷气分配的cfd计算方法，主要具有以下优点：
17.(1)本发明利用平板模型进行测试，流量的平均相对误差控制在10％以内，取得了非常优秀的预测效果。
18.(2)本发明预测层板流量的效率非常高，得到流量分配预测结果仅需几秒钟。
附图说明
19.图1为本发明所述的一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法原理图；
20.图2为冷气夹层的结构示意图；
21.图3为层板结构外部压力条件不均匀时的效果图；
22.图4为冷气输运模型拓扑结构图。
具体实施方式
23.具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法，该方法针对双层壁叶片层板冷却结构，将多排气膜孔、冲击孔的流量分配预测问题拆解为局部流量预测和整体流量修正两部分。具体步骤如下：
24.步骤一、将涡轮叶片主流压力场、叶片分腔/分区方案、冷却结构几何参数作为所述局部流量预测模块的输入。其中涡轮叶片的主流压力场可以通过对无冷却结构实心叶片进行仿真计算得到，而叶片分腔/分区方案由叶片设计人员提供。一般来说，叶片分腔/分区方案需要考虑叶片强度、叶片外表面压力分布等多方面因素，较为复杂。而叶片分腔/分区的具体方案对本发明所述流量分配预测无影响，因此在这里直接作为已知量输入，不作过多讨论。
25.步骤二、所述局部流量预测模块假设层板的冷气夹层内不存在横流，所有气膜/冲击孔的流量只取决于局部冷却结构几何参数和层板局部内外压差。将气膜孔直径、层板结构内外压差等变量作为输入，不考虑层板结构冷气夹层内横流时的气膜/冲击孔的流量作为输出，训练bp神经网络，建立局部流量预测模块输入与输出间的关联；并将输出的无横流
气膜/冲击孔的流量输入到整体流量修正模块；
26.步骤三、将整体的输入的涡轮叶片主流压力场、叶片分腔/分区方案、冷却结构几何参数与局部流量预测模块的输出的无横流情况下气膜/冲击孔的流量合并，作为整体流量修正模块的输入。
27.步骤四、所述整体流量修正模块根据接收的数据进行操作。根据理论分析结果，将整体层板结构冷气夹层内的流量输运模型拆分成自由横流层和分段修正层两部分。在自由横流层内将冲击孔流量的一部分提取出来，根据冲击孔直径进行加权平均；在分段修正层内根据横流强度和冷气的流动特性对各孔排气膜/冲击孔流量进行进一步修正。
28.当横流在层板间达到的最大强度与当地冲击孔流量大小相当时，对各孔排流量进行进一步修正；具体过程为：
29.设定自由横流层内流阻等于0，且自由横流层不影响气膜孔流量；自由横流层的总流量由各排冲击孔流入，流入量取决于当地气膜孔流量和直径比；
30.各孔排的流入量累加后获得自由横流层的总流量，设定所述总流量经过各排冲击孔均匀流入，按照当地冲击孔剩余面积均匀分配自由横流层总流量，则实现对自由横流层的修正；根据所述自由横流层输出结果，找到层板内的横流最大位置，并确定分段修正层不同区域的范围。
31.本实施方式中，在所述自由横流层内将冲击孔流量的0～90％提取出来，具体为：提取的比例取决于当地冲击孔直径与气膜孔直径的比例k；
32.当1≤k≤2时，提取该冲击孔90％
×
(k-1)
0.5
的流量；
33.当k》2时，提取该冲击孔90％的流量。
34.具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种涡轮叶片层板冷却结构的流量分配预测方法的实施例：本实施例中：要实现层板结构流量分配的预测，首先要确定的是程序的输入和输出。对于本发明的应用场景，程序的输入为计算模型的几何结构参数和边界条件，输出为层板整体的流量分配结果。整个系统的组成如附图1所示。
35.1、局部流量预测模块；
36.通过数值计算验证不同几何参数对流量的影响。初步结果可以证明以下结论：
37.(1)气膜孔角度对局部流量的影响可以忽略不计；
38.(2)冲击孔直径大于气膜孔时，气膜孔直径是决定局部流量的主要因素，冲击孔直径是次要因素。
39.(3)层板结构内外压差是影响局部结构流量的最终决定性因素。
40.根据上述结论，初步选取局部结构内外压差、气膜孔直径、冲击孔与气膜孔的直径比这三个变量构建bp神经网络的训练数据集。根据变量重要程度，变量不同的取值数量从16到3不等，共计448组数据(目前已计算并统计其中384组)。训练数据集的具体方案如下表所示。
[0041][0042]
统计个数据集的流量，建立数据集。之后训练神经网络模型，建立内外压差、气膜孔直径等数据集变量到局部流量的映射。
[0043]
2、整体流量修正模块
[0044]
将程序整体的输入和局部流量预测模块的输出合并，作为整体流量修正模块的输入。本模块针对大面积层板的孔排结构进行了大量流动换热分析。最终根据流动形式的不同，将层板内流动分为两层：冲击靶面附近的a区，进气版附近的b区，如图2所示。
[0045]
当层板结构外部压力条件不均匀时，层板内不同区域间会出现横向流动。当层板结构外部压力单调变化时，分析a区和b区的横向流动，如附图3所示。根据层板内冷却气体输运形式，将a区划分成发展段、稳定段和回流段。
[0046]
根据上述分析建立层板内冷气输运模型，将层流结构的b区抽象为流量输运模型的自由横流层，将a区抽象为分段修正层，其拓扑结构如附图4所示。
[0047]
之后以此流量输运模型为基础结合物理分析，对各孔排流量进行修正，得到最终结果。具体修正方法为：
[0048]
(1)根据物理和数值分析结果，横流几乎不影响气膜孔流量，而使冲击孔流量分配均匀，且层板间的流阻远小于气膜孔和冲击孔。
[0049]
因此假设自由横流层内流阻等于0，且自由横流层不影响气膜孔流量。自由横流层的总流量由各排冲击孔流入，流入量取决于当地气膜孔流量和直径比k。各孔排的流入量累加后便得到自由横流层的总流量，假设这些流量经过各排冲击孔均匀流入。按照当地冲击孔剩余面积(当地冲击孔面积-当地气膜孔面积)均匀分配自由横流层总流量，便得到了自由横流层的修正结果。
[0050]
(2)当横流在层板间达到的最大强度与当地冲击孔流量大小相当时，需要对各孔排流量进行进一步修正。根据自由横流层输出结果，可以找到层板内的横流最大位置，由此确定分段修正层不同区域的范围。
[0051]
横流最大位置之前的区域为发展段，横向流动逐渐增强；横流最大位置之后的区域为衰退段，横向流动逐渐减弱；衰退段又可等分为稳定段和回流段。在三个区域分别提取物理特征量，对气膜孔和冲击孔的流量进行修正。具体修正方法为：
[0052]
对于发展段的冲击/气膜流量，冲击孔的流量参照自由横流层的方法进一步加权平均，内外压差最低的气膜孔的流量减半；衰退段横流经气膜孔均匀流出，取最大横流强度的三分之一，按照气膜孔直径加权平均，分配到各个气膜孔；
[0053]
稳定段冲击孔流量不进行修正。回流段冲击孔流量下降，且越靠近层板结构的末端，冲击孔流量减少的比例越大(二次分布)。回流区冲击孔减少的流量之和等于最大横流强度的三分之一。
[0054]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实
施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。