(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210578070.X (22)申请日 2022.05.26 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114676533 A (43)申请公布日 2022.06.28 (73)专利权人 中国航发四川燃气涡轮 研究院 地址 610500 四川省成 都市新都区新都学 府路999号 (72)发明人 黄维娜　郭文　赵维维　崔亭亭　 娄德仓　马庆辉　 (74)专利代理 机构 北京清大紫荆知识产权代理 有限公司 1 1718 专利代理师 张卓 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01)(56)对比文件 CN 106837431 A,2017.0 6.13 CN 114282323 A,202 2.04.05 CN 114151139 A,202 2.03.08 CN 10797 7523 A,2018.0 5.01 EP 0742347 A 2,1996.11.13 吴晶峰等.燃气轮 机燃烧室网络式流 量分配 设计. 《中国民航大 学学报》 .2016,(第04期), 张玲等.气膜冷却孔对涡轮发动机非定常流 动的影响. 《拖拉机与农用运输车》 .2016,(第01 期), 王旭伟.浅 谈涡轮转子叶片冷却技 术. 《山东 工业技术》 .2018,(第01期), 梁津华、 赵维 维、 徐连强.航空发动机空气系 统和热分析的耦合计算与试验 验证. 《燃气涡轮 试验与研究》 .2019, 审查员 李知宇 (54)发明名称 一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感 性分析方法 (57)摘要 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 。 权利要求书2页 说明书8页 附图6页 CN 114676533 B 2022.08.02 CN 114676533 B 1.一种与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在于， 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。 2.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 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。 3.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述S4中的长期使用温度为根据发动机工作包线内最恶劣的状态工作时间确定的材料 许用温度。 4.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述分析方法利用仿真模型进行， 所述仿真模型为根据初步的流路布局及叶片冷却结 构建立的空气系统与叶片冷却耦合仿真模型。 5.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述空气系统节流元件包括与涡轮动叶冷却相关的预旋喷嘴、 引气孔、 篦齿、 缝隙和管 路； 所述涡轮动叶冷却节流元件 包括气膜孔、 冲击孔、 扰流肋、 尾缝、 扰流柱和榫头进气孔。 6.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述S1中的耦合计算包括如下步骤： A、 读取空气系统计算输入文件， 给定向叶片供气的节流元件初始流 通面积SA0； B、 计算空气系统节流元件进出口压力、 温度、 流 量； C、 通过空气系统计算结果获得涡轮动 叶冷却的进口压力P0、 进口温度T0和进口流量 G0；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114676533 B 2D、 对进口压力P0和进 口温度T0进行涡轮动叶内流计算， 进行涡轮动叶内流计算， 获得 涡轮动叶内流计算结果， 读取涡轮动叶冷却引气量G1； E、 给定流 量计算残差要求 值 ε， 进行判断， 若|G1‑G0|/G0≥ε， 则将修正后的面积SA1=SA0+(G1 ‑G0)/G0*SA0设置为空气系统文件 中向叶片供气的节流 面积， 返回步骤A； 若|G1‑G0|/G0< ε ， 则结束耦合计算。 7.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述敏感性分析包括如下步骤： a、 选取空气系统节流元件和涡轮动叶的所有节流元件的几何参数； b、 设置每 个节流元件几何参数基于初始值的变化范围； c、 开展试验设计分析， 获得多个由节流元件几何参数组合的样本； d、 针对c获得的每 个样本， 进行空气系统与叶片流动耦合计算分析； e、 绘制主因素图获得输出变量与节流元件之间的敏感性关系； f、 根据敏感性关系选择影响输出变量的参数。 8.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述S3包括如下步骤： S3.1： 通过求解流过涡轮动叶型面的粘性流控制微分方程， 获得叶片燃气边的外换热 系数； S3.2： 根据内流计算结果对S3.1 获得的外换 热系数计算结果进行气膜修 正； S3.3： 将经过气膜修正后的燃气边换热系数分布、 温度分布和压力分布作为叶片内流 计算气膜出口边界条件， 重新进行内流计算； S3.4： 根据气膜修正后的外换热系数、 外表面燃气温度分布和内流计算结果， 采用线性 差值的方法， 分别获得叶片内外表面的换 热系数和温度分布云图； S3.5： 将得到的叶片内边界的换热系数、 外边界的换热系数和 温度分布加载在叶片模 型上， 最终得到叶片的温度场结果； S3.6： 判断温度场结果是否满足要求。 9.根据权利要求1所述的与空气系统耦合的涡轮动叶冷却敏感性分析方法， 其特征在 于， 所述S1中的内流计算结果包括涡轮动叶内部各腔流量分配数、 换热系数、 压力分布和温 度分布。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114676533 B 3