本發(fā)明屬于航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻，涉及渦輪葉片氣膜冷卻系統(tǒng)的熱-氣動性能分析技術，具體是一種綜合評價渦輪葉片氣膜冷卻性能的效損計算方法，用于對葉片冷卻與損失結合的效損進行分析計算。

背景技術：

1、航空發(fā)動機為了提升推力，渦輪前溫度不斷提高，氣膜冷卻技術也因此得到更加廣泛的應用。氣膜冷卻消耗的冷氣量隨著發(fā)展已經(jīng)逐漸達到了百分之十五甚至百分之二十，這會導致較多的額外損失，因此在發(fā)展并分析氣膜冷卻效果的同時也要考慮控制額外的損失。

2、在氣膜冷卻性能評價體系中，氣膜冷卻效率是評價氣膜冷卻好壞中最常用，也最便捷的一個指標，其通過無量綱化的溫度比值反映冷卻效果。該指標在葉片冷卻設計中具有重要的指導意義，能夠直觀地表征氣膜對主流高溫燃氣的隔離效果。然而，單純的冷卻效率評價忽略了冷氣注入對主流氣動特性的影響，特別是對總壓損失、摻混損失等關鍵氣動參數(shù)的影響?，F(xiàn)有的氣膜冷卻背景下的氣動損失分析常?；跓o氣膜冷卻時的氣動分析方案，使用的評價參數(shù)較為多樣，包括壓力、動能、焓值、熵增等，已有的損失模型將這些參數(shù)進行無量綱化，用以判斷在氣膜冷卻環(huán)境下的損失變化。

3、然而，這些基于氣膜冷卻背景下的損失計算方法雖然將冷氣引起的流場變化考慮在內(nèi)，計算結果仍然是原本的無量綱損失量，和氣膜冷卻效率之間無法產(chǎn)生有機聯(lián)系，二者對目標氣膜冷卻設計評價相對獨立，有時會出現(xiàn)相對沖突、需要取舍的情況。而且已有的一些分析方法要求較高，從數(shù)值模擬轉移到實驗時較為困難，實際測量手段難以滿足要求，使得數(shù)值模擬結果的驗證變得困難，也限制了這些方法在實際工程中的應用。例如，中國專利cn117610460a公開了一種發(fā)動機渦輪葉片氣膜冷卻的全三維摻混損失評估方法，該方法通過建立全三維流動模型，考慮了二次流對主流和射流之間相對運動和相互作用的影響，提高了摻混損失的計算評估精度。但是該方法僅針對單一損失維度，主要集中于摻混損失的評估，未與冷卻效率形成綜合評價，且該方法依賴高精度三維流場參數(shù)(如速度分量、湍流耗散率)，實驗獲取困難，無法解決冷卻與損失的權衡問題。

4、此外，在氣膜冷卻孔設計優(yōu)化過程中，往往需要同時考慮多個相互沖突的設計目標，包括最大化冷卻效果、最小化氣動損失、確保冷卻均勻性等。由于缺乏統(tǒng)一的綜合評價準則，設計過程中常常依賴工程經(jīng)驗和試錯方法，難以實現(xiàn)系統(tǒng)性的優(yōu)化設計。這種狀況不僅影響了設計效率，也制約了氣膜冷卻技術的進一步發(fā)展和應用。

5、綜上所述，現(xiàn)有氣膜冷卻性能評價技術存在冷卻效果與氣動損失評價相互獨立、缺乏有機聯(lián)系的問題，同時在實驗測試的可操作性和工程應用的便捷性方面也存在明顯不足。因此，需要一種相對簡單、且能夠綜合分析冷卻與損失兩個因素的計算方法來判斷氣膜冷卻具體應用的合理性，這是當前氣膜冷卻系統(tǒng)性能評估中亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、針對現(xiàn)有技術的上述缺陷和不足，本發(fā)明旨在提出一種用于綜合評價渦輪葉片氣膜冷卻性能的效損計算方法，將氣膜冷卻效率這一冷卻指標和總壓損失系數(shù)這一損失指標結合起來，并引入和高溫區(qū)冷卻指數(shù)作為輔助參數(shù)，將其共同組成一個多參數(shù)的效損計算方法。本發(fā)明通過建立氣膜冷卻效率與總壓損失系數(shù)和質量流量比之間的數(shù)學關聯(lián)，采用冪指函數(shù)形式構建效損計算系數(shù)，實現(xiàn)了冷卻效果與氣動損失的有機統(tǒng)一評價。對于同一種氣膜冷卻技術或是同一種流動工況，效損計算方法能夠綜合冷卻與損失變化兩個方面去計算，根據(jù)計算結果綜合判斷對應的氣膜冷卻技術是否更優(yōu)，或是該技術在某種工況下更加適用，具有廣泛的應用前景，適用于多種冷卻孔型、多區(qū)域布局以及不同流動馬赫數(shù)下的性能比較。

3、(二)技術方案

4、為實現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：

5、一種用于綜合評價渦輪葉片氣膜冷卻性能的效損計算方法，用于在航空發(fā)動機渦輪葉片氣膜冷卻設計優(yōu)化或工況適應性評價中，定量評估氣膜冷卻效率與冷卻所致氣動損失的綜合性能，所述方法至少包括如下步驟：

6、s100.基礎參數(shù)獲取：

7、獲取渦輪葉片目標計算區(qū)域內(nèi)的主流通道參數(shù)與氣膜冷卻氣參數(shù)，其中主流通道參數(shù)至少包括渦輪葉片通道中主流氣體的進口溫度tg,in、進口總壓ptg,in、出口總壓ptg,out、出口靜壓pg,out以及主流質量流量mg；所述氣膜冷卻氣參數(shù)至少包括冷氣系統(tǒng)進口處的冷氣溫度tc、冷氣總壓ptc、冷氣靜壓pc以及冷氣質量流量mc；同時獲取渦輪葉片表面在氣膜冷卻作用下的絕熱壁溫或當?shù)乇砻鏈囟萾aw，并根據(jù)冷氣質量流量mc及主流質量流量mg計算質量流量比φ＝mc/mg；

8、s200.氣膜冷卻效率計算：

9、基于主流進口溫度tg,in、冷氣溫度tc以及葉片表面溫度taw，采用溫度差比形式計算當?shù)貧饽だ鋮s效率η，用以表征冷卻氣膜對主流高溫燃氣的隔離保護效果；對研究冷卻特性區(qū)域內(nèi)的氣膜冷卻效率進行線平均處理，再對各流向位置進行平均，得到目標區(qū)域的平均氣膜冷卻效率用于表征冷卻效果的整體水平；

10、s300.總壓損失系數(shù)計算：

11、基于主流質量流量mg與冷氣質量流量mc的比例，對主流氣體進口總壓ptg,in及冷氣總壓ptc進行加權計算得到主流與冷氣的摻混總壓pmix，用以表征主流與氣膜冷卻氣摻混前的壓力狀態(tài)，并結合主流出口總壓ptg,out和出口靜壓pg,out采用壓力差比形式計算總壓損失系數(shù)ξ，用于表征冷氣注入所引起的摻混損失；

12、s400.高溫區(qū)冷卻指數(shù)λ：

13、在目標計算區(qū)域內(nèi)提取最高溫度tmax，結合冷氣溫度tc與質量流量比φ，確定高溫區(qū)冷卻指數(shù)λ，表現(xiàn)形式為溫比為底的指數(shù)形式，指數(shù)為φ，高溫區(qū)冷卻指數(shù)λ用以表征氣膜冷卻效果受限區(qū)域內(nèi)的優(yōu)化程度，并能一定程度上微調(diào)修正最后的計算結果；

14、s500.構建η和φ間的帕累托分布表達式：

15、基于等焓摻混假設，構建η和φ間的帕累托分布表達式，構建ξ與φ非線性分布函數(shù)，揭示損失隨冷氣量變化規(guī)律，關聯(lián)建模反映η對ξ對質量流量比φ的相應特征與趨勢；

16、s600.效損計算系數(shù)綜合計算：

17、采用冪指函數(shù)組合形式，將平均氣膜冷卻效率總壓損失系數(shù)ξ以及高溫區(qū)冷卻指數(shù)λ進行組合處理以構建效損計算系數(shù)ε，，ε值越大，表示所評估氣膜冷卻方案的冷卻效果越優(yōu)、附加損失越小；

18、s700.綜合性能評價判斷：

19、針對不同氣膜孔型、孔位、孔徑、噴射角度、冷氣質量流量比或流動工況下的冷卻方案，分別計算效損計算系數(shù)ε，并以其為依據(jù)對不同冷卻方案進行對比分析，根據(jù)ε值大小判定不同冷卻方案在目標區(qū)域的綜合適用性，為渦輪葉片氣膜冷卻設計優(yōu)化提供定量依據(jù)。

20、(三)技術效果

21、本發(fā)明的用于綜合評價渦輪葉片氣膜冷卻性能的效損計算方法將氣膜冷卻效率η與總壓損失系數(shù)ξ兩者和冷氣主流的質量流量比φ聯(lián)系起來，基于簡化氣膜脫離的假設得到了φ-η和φ-ξ的帕累托分布規(guī)律，基于這種規(guī)律綜合考慮二者的數(shù)值分布與其對氣冷渦輪的作用影響，最終判斷氣膜冷卻的綜合性能。該方法建立后具有以下幾個優(yōu)勢：

22、(1)效損計算方法的表現(xiàn)形式為在0到1范圍內(nèi)的無量綱量，且單調(diào)性變化受到四個子項變化綜合影響，各個子項也均源常用的判斷標準，具有合理性。其最終的表現(xiàn)形式合理且不依賴經(jīng)驗系數(shù)。并且，效損計算方法涉及的大部分參數(shù)獲取簡單，除了涉及氣體固有性質的參數(shù)外僅有質量流量、溫度以及壓力，且方法在數(shù)值模擬與實際實驗中均較易實現(xiàn)。

23、(2)根據(jù)計算結果，氣膜冷卻的設計將綜合考慮冷卻效果以及其對損失的影響，能夠權衡高冷卻大損失的情況，對于控制損失，減少能量損耗具有積極意義。效損計算方法由于采用的壓力溫度等參數(shù)在各環(huán)境下均是關鍵且常見的參數(shù)，該方法的適用性廣，不受到低高速流動工況變化的限制，能夠針對同一冷卻區(qū)域，區(qū)分孔型、角度等氣膜冷卻設置，以及亞音速、超音速流動工況進行氣膜冷卻適用性評價判斷。