[发明专利]基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测方法及系统，其中，该方法包括：构建有效度的二维标量输运方程，获取气膜孔几何参数和主流来流气动参数作为其输入参数；基于边界层理论，通过量级分析将二维标量输运方程抛物化；基于空间推进方法求解单孔排的二维有效度分布，引入二维Sellers叠加模型，将单孔排的二维有效度预测模型推广到多孔排预测，得到全覆盖气膜有效度的二维分布结果。该方法基于标量输运方程将一维有效度预测方法推广到二维，实现了气膜有效度的二维高精度预测。

技术领域

本发明涉及燃气轮机气膜冷却技术领域，特别涉及一种基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测方法及系统。

背景技术

燃气轮机气膜冷却是一种广泛采用的冷却技术。如图1所示，从压气机侧抽气，不经燃烧室，在透平部件的表面通过离散的气膜孔注入高温的主流边界层内部，形成冷却气膜，隔绝部件表面与高温燃气，防止透平部件的烧蚀。

气膜冷却区别于传统的槽缝冷却，具有全三维的流动结构，尤其是在透平端区，存在着复杂的冷气迁移机制，气膜冷却有效度在壁面上的分布表现为显著的二维特性。

但现有的气膜冷却有效度的预测方法，是基于横向平均意义上的一维有效度预测方法。针对单孔排气膜冷却，基于数学方法拟合流向方向上的横向平均气膜有效度分布，并通过一维Sellers叠加模型，将单孔排的结果推广至多孔排。

一维横向平均有效度关联式：

一维Sellers叠加公式：

但现有一维气膜有效度预测方法难以满足三维气膜冷却的设计需求，如：

(1)气膜冷却在壁面上表现出二维的有效度分布特征，现有的一维预测方法难以精确定位部件表面的局部超温现象；

(2)针对多孔排气膜冷却，孔排间在周向方向上存在顺列、错列的关系，不同的周向位错也影响孔排下游有效度的实际分布规律。然而，现有的一维预测方法针对不同的孔排位错关系，预测的结果均相同。

因此，亟待一种针对全覆盖气膜冷却的二维有效度预测方法，解决燃气轮机气膜冷却有效度的性能预测问题。

发明内容

本发明提供一种基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测方法及系统，以用于解决现有的一维预测方法难以精确定位部件表面的局部超温现象、针对不同的孔排位错关系，预测的结果均相同，不能实现全覆盖气膜冷却的高效、可靠预测的技术问题。

本发明一方面提供一种基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测方法，包括：

构建控制方程，获取气膜孔几何参数和主流来流气动参数作为所述控制方程的输入参数，其中，所述控制方程为二维标量输运方程；

基于边界层理论，通过量级分析将所述二维标量输运方程抛物化；以及

基于空间推进方法求解单孔排的二维有效度分布，引入二维Sellers叠加模型，将单孔排的二维有效度预测模型推广到多孔排预测，得到全覆盖气膜有效度的二维分布结果。

本发明另一方面提供一种基于标量输运方程的气膜冷却二维有效度预测系统，包括：

构建模块，用于构建控制方程，获取气膜孔几何参数和主流来流气动参数作为所述控制方程的输入参数，其中，所述控制方程为二维标量输运方程；

抛物化模块，用于基于边界层理论，通过量级分析将所述二维标量输运方程抛物化；

预测模块，用于基于抛物化的二维标量输运方程，预测得到单孔排气膜有效度的二维分布，基于二维Sellers叠加公式，将单孔排结果推广得到多孔排的全覆盖气膜有效度的二维分布结果。