[发明专利]基于多参数影响下的气膜冷却效果正交预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮动力装置中的气膜冷却技术领域，尤其涉及一种基于多参数影响下的气膜冷却效果下的正交预测方法，适用于暴露在高温环境中且需要被冷却的涡轮叶片。

背景技术

燃气轮机的热效率随着燃气初温的提高而增加。现代燃气轮机设计的进口运行温度很高，远超出当前材料的温度极限，受到部件材料耐高温性能的限制，需要对材料表面进行有效冷却。研究和改善燃气轮机冷却技术，以降低高温部件工作温度和延长金属材料的使用寿命，是当前改进燃气轮机安全性的重要手段。

燃气轮机的冷却一般是通过抽取部分压缩空气并旁通燃烧室直接进入透平来实现的。气膜冷却技术作为保护高温部件非常有效的冷却手段，在现代高负荷航空发动机中被广泛采用。气膜冷却是让冷却气体从内部通过射流孔直接喷射到燃气通道表面，以达到保护入射区域以及射流下游区域表面的目的。涡轮叶片气膜冷却主要依赖于冷却工质和高温燃气主流的压比、温比，主流湍流度和气膜冷却叶片上的冷却孔的位置、形状与分布。

本领域针对叶片冷却效果的研究已经做了大量工作，例如：专利公开(公告)号CN103244196A，提出了一种离散气膜冷却孔型，比较了不同孔型、不同吹风比对冷却效果的影响；专利公开(公告)号CN101832154A，提出了将固态工质NH₄HCO₃作为冷却工质来源，比较NH₄HCO₃与传统冷却气体的冷却效果。目前大多数的研究都集中在一、两种参数对冷却效果的影响，并未对三种及以上参数共同作用下的冷却效果进行研究，影响因素影响大小的顺序也未曾进行研究。为了设计出更好的叶片气膜冷却模式，本发明将正交法应用于涡轮叶片气膜冷却的研究，用最少的试验得到最准确的结果以及影响因素影响大小的顺序，同时对结果进行进一步的直观分析与统计分析，使得计算结果更具有代表性。

发明内容

本发明的目的在于设计出更好的叶片气膜冷却模式，提出一种通用性强且简单可靠的基于多参数影响下的气膜冷却正交预测方法。

正交设计方法是处理多因素试验的一种科学的试验方法，它利用正交表安排试验，只做较少次数的试验便可判断出较优的条件，若再对结果进行简单的统计分析，还可以更全面、更系统地掌握试验结果，做出正确判断。对涡轮叶片冷却效果进行正交预测可以明确以下三个问题：

1.对指标的影响，哪个因素重要，哪个因素不重要；

2.每个因素以哪个水平为好；

3.各因素以什么样的水平搭配起来，指标最好。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于多参数影响下的气膜冷却正交预测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)涡轮叶片冷却效果受多参数共同作用，首先选定影响因素，恰当地给出各因素的水平变化范围，各因素的水平需要根据实际情况选择，通常影响涡轮叶片冷却效果的因素有：①几何参数，孔的几何参数如喷射角度、孔间距、孔径比、孔长和孔出口形状，以及叶片几何参数如叶片前缘形状，曲率和表面粗糙度；②气动参数，吹风比、不稳定尾流、自由流湍流、主流密度比和压力梯度；③其他因素,间隙泄露；

(2)根据正交表安排试验，安排试验时应遵循“均匀分散性，整齐可比”的原则，要求每一列中，不同的数字出现的次数相等；任意两列中数字的排列方式齐全而且均衡，制定试验计划后进行试验；

(3)进行试验结果直观分析，得出较优的生产条件：

Step1:根据结果选则冷却效果最好的工况为最优工况，

Step2:计算每一因素在不同水平条件下的冷却效果平均值，

Step3:计算各因素不同水平下的极差值，因素极差越大，对冷却效果的影响越大，极差越小，对冷却效果影响就越小。根据极差大小判断因素的重要程度，

Step4:综合分析；

(4)进行试验结果的方差分析，区分因素水平变化引起的试验结果间的差异与误差波动引起的试验结果间的差异，

Step1:试验的误差分析

S_误＝各因素(数据-平均值)²的和        (1)

S_误称为误差的偏差平方和，为消除数据个数的影响，采用误差的平均偏差平方和V_误表示：

f_误称为误差的自由度，f_误＝各条件下(数据个数-1)之和      (3)

Step2:试验的因素水平变化分析