CN116502469A - 一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计技术领域，公开了一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法及装置，对涡轮叶片进行分区并基于测温点的温度测量数据获得各分区内的修正后的仿真节点温度值，修正后的仿真节点温度值更加贴近使用环境下的实际温度场，提升了涡轮叶片温度仿真精度和可靠性，确保能够更加准确地开展叶片强度评估，对涡轮叶片设计甚至整个发动机的研制提供了重要支撑，具有很好的工程实用价值；也实现了有限试验数据在涡轮叶片温度仿真中的直接高保真应用，经济成本低，且提升了有限测温数据的利用效率和价值，极大程度降低了额外基础研究资源、时间成本消耗。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计技术领域，公开了一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法及装置。
背景技术
随着现代航空发动机对性能的极致追求，发动机涡轮前温度远远超过高温合金材料的熔点温度，涡轮部件特别是涡轮叶片面临巨大挑战，气冷涡轮叶片设计成为发动机设计的关键技术之一。气冷涡轮叶片设计主要包含气动设计、冷却设计、结构设计、温度场仿真以及强度评估。温度场仿真结果作为强度评估的重要输入，仿真结果的准确性，直接影响着强度评估结果的可靠性，对气冷涡轮叶片设计甚至是整个发动机研制都至关重要。
气冷涡轮叶片温度场仿真现有方法主要有两种：一是利用商业或自编软件开展的气热耦合仿真，二是由叶片内外流+温度场的分步解耦仿真方法。
由于涡轮叶片工作环境恶劣，叶片温度测量，特别是发动机工作状态下的涡轮叶片温度测量难度极大，试验数据积累不足，工程设计人员难以利用有限的试验数据提升叶片的温度仿真精度。而且现阶段设计人员主要从原理层面出发，通过大量的基础研究，改进核心算法，才可能给出与实际相符的高精度仿真结果。这一过程通常需要耗费大量的时间、资源成本，对于工程上快节奏、高可靠的发动机研制是极不友好的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法及装置，提升了涡轮叶片温度仿真精度和可靠性，确保能够更加准确地开展叶片强度评估；也实现了有限试验数据在涡轮叶片温度仿真中的直接高保真应用，经济成本低，且提升了有限测温数据的利用效率和价值，极大程度降低了额外基础研究资源、时间成本消耗。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，包括：
获取试验条件下涡轮叶片各测温点的温度测试数据；
对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场，所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；
将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；
遍历每个分区内的测温点及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点；在含有测温点的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点；
按照计算每个分区内第/>个测试区节点修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点到第/>个测温点的距离，/>为对应分区内测温点的数量；
非测试区仿真节点的温度值采用进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点的仿真温度值，/>为距离第/>个非测试区仿真节点最近的第/>个测试区节点的仿真温度值，/>为第/>个测试区节点修正后的温度值。
进一步地，所述温度测试数据为利用测温热电偶或测温晶体获得的试验条件下涡轮叶片上的离散测温点的温度值。
进一步地，将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区的方法包括：采用叶身中心线将涡轮叶片划分为叶盆区和叶背区。
进一步地，所述涡轮叶片内包括至少两个空腔，采用相邻空腔之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于获取试验条件下涡轮叶片各测温点的温度测试数据；
仿真模块，所述仿真模块用于对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，并获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场；所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；
分区模块，所述分区模块用于将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；
仿真节点划分模块，所述仿真节点划分模块用于遍历每个分区内的测温点及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点；在含有测温点的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点；
分析修正模块，所述分析修正模块用于按照计算每个分区内第/>个测试区节点修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点到第/>个测温点的距离，/>为对应分区内测温点的数量；非测试区仿真节点的温度值采用/>进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点的仿真温度值，/>为距离第/>个非测试区仿真节点最近的第/>个测试区节点的仿真温度值，/>第/>个测试区节点修正后的温度值。
进一步地，所述数据采集模块包括测温热电偶或测温晶体，所述测温热电偶或测温晶体安装于涡轮叶片表面或内嵌与涡轮叶片中，用于获得试验条件下涡轮叶片上的离散测温点的温度值。
进一步地，所述分区模块用于将涡轮叶片仿真模型至少划分为叶盆区和叶背区。
进一步地，所述分区模块还用于根据相邻空腔之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：
1.本发明对涡轮叶片进行分区并基于测温点的温度测量数据获得各分区内的修正后的仿真节点温度值，修正后的仿真节点温度值更加贴近使用环境下的实际温度场，提升了涡轮叶片温度仿真精度和可靠性，确保能够更加准确地开展叶片强度评估，对涡轮叶片设计甚至整个发动机的研制提供了重要支撑，具有很好的工程实用价值；
2.本发明也实现了有限试验数据在涡轮叶片温度仿真中的直接高保真应用，经济成本低，且提升了有限测温数据的利用效率和价值，极大程度降低了额外基础研究资源、时间成本消耗。
附图说明
图1为实施例中涡轮叶片某一断面结构示意图；
图2为图1中局部A的放大示意图；
图3为实施例中基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置的结构框图；
其中，1、测温点；2、测试区节点；3、非测试区仿真节点；4、叶盆区；5、叶背区；6、空腔；7、数据采集模块；8、仿真模块；9、分区模块；10、仿真节点划分模块；11、分析修正模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
参见图1-图3，一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，包括：
获取试验条件下涡轮叶片各测温点1的温度测试数据；
对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场，所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；
将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；
遍历每个分区内的测温点1及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点1为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点2（如图2中的圆内的点）；在含有测温点1的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点3，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点3；
按照计算每个分区内第/>个测试区节点2修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点1的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点2到第/>个测温点1的距离，/>为对应分区内测温点1的数量；
非测试区仿真节点3的温度值采用进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点3的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点3的仿真温度值，/>为距离第/>个非测试区仿真节点3最近的第/>个测试区节点2的仿真温度值，/>为第/>个测试区节点2修正后的温度值。
在本实施例中，通过对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，获得涡轮叶片上网格仿真节点的初始仿真温度值；然后对涡轮叶片按照结构进行分区，并根据涡轮叶片试验条件下自身测温点1的分布位置将各个仿真节点划分为测试区节点2和非测试区仿真节点3。其中测试区节点2根据对应分区内的测温点1的测试温度值对仿真温度值进行修正，获得测试区节点2修正后的温度值；而非测试区仿真节点3的仿真温度值则根据距离最近的测温点1温度值与测温点1仿真温度值的比值作为修正系数，对非测试区仿真节点3的仿真温度值进行修正，从而获得非测试区仿真节点3修正后的仿真温度值。本实施例的涡轮叶片温度修正方法是基于测温点1的温度测量数据获得涡轮叶片温度场更加贴近使用环境下的实际温度场，提升了涡轮叶片温度仿真精度和可靠性，确保能够更加准确地开展叶片强度评估，对涡轮叶片设计甚至整个发动机的研制提供了重要支撑，具有很好的工程实用价值；也实现了有限试验数据在涡轮叶片温度仿真中的直接高保真应用，经济成本低，且提升了有限测温数据的利用效率和价值，极大程度降低了额外基础研究资源、时间成本消耗。
本实施例中的温度测试数据为利用测温热电偶或测温晶体获得的试验条件下的涡轮叶片上的离散测温点1的温度值。该温度值可以是涡轮叶片零部件试验条件下的温度测试数据，也可以是发动机工作状态下涡轮叶片的温度测试数据。预设半径的取值可根据涡轮叶片的仿真温度场分布进行取值，或者根据圆内包含的测试区节点2的数量进行取值，如控制圆内含有的测试区节点数量为6-10个。
将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区，包括：采用叶身中心线进行将涡轮叶片划分为叶盆区4和叶背区5。若涡轮叶片内存在至少两个空腔6的情况下，可采用相邻空腔6之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
此外，在分别获得涡轮叶片测试区节点2的初始仿真温度值和修正后的温度值，以及非测试区仿真节点3初始仿真温度值和修正后的温度值后，可以构建对应分区仿真节点的温度修正系数，如：测试区节点2的温度修正系数，其中/>为第/>个测试区节点2的温度修正系数，测试区节点2的温度修正系数/>，其中/>为第/>个非测试区仿真节点3的温度修正系数，然后构造所有仿真节点的温度修正系数场，该温度修正系数场作为其它换热相似状态的涡轮叶片仿真温度的修正参考值，能够极大提高仿真温度的精度，实现测温数据在温度仿真中的应用范围，为涡轮叶片高可靠性的强度评估或者叶片的改进设计提供支撑。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，参见图3，包括：
数据采集模块7，所述数据采集模块7用于获取试验条件下涡轮叶片各测温点1的温度测试数据；如本实施例中的数据采集模块7包括测温热电偶或测温晶体，所述测温热电偶或测温晶体安装于涡轮叶片表面或内嵌与涡轮叶片中，用于获得的试验条件下的涡轮叶片上的离散测温点1的温度值。
仿真模块8，所述仿真模块8用于对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，并获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场；所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；本实施例中，可利用现有方法获取试验条件下的涡轮叶片初始仿真温度场，例如可以是内外流+温度场的分步解耦仿真方法，也可以是气热耦合仿真方法，或者其它能够获取试验条件下初始仿真温度场的方法。
分区模块9，所述分区模块9用于将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；如本实施例中根据涡轮叶片自身结构，可将涡轮叶片仿真模型至少划分为叶盆区4和叶背区5。在涡轮叶片包含至少两个空腔6的条件下，还可以根据相邻空腔6之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
仿真节点划分模块10，所述仿真节点划分模块10用于遍历每个分区内的测温点1及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点1为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点2（如图2中的圆内的点）；在含有测温点1的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点3，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点3；
分析修正模块11，所述分析修正模块11用于按照计算每个分区内第/>个测试区节点2修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点1的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点2到第/>个测温点1的距离，/>为对应分区内测温点1的数量；非测试区仿真节点3的温度值采用/>进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点3的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点3的仿真温度值，/>为距离第/>个非测试区仿真节点3最近的第/>个测试区节点2的仿真温度值，/>为第/>个测试区节点2修正后的温度值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，其特征在于，包括：
获取试验条件下涡轮叶片各测温点的温度测试数据；
对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场，所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；
将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；
遍历每个分区内的测温点及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点；在含有测温点的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点；
按照计算每个分区内第/>个测试区节点修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点到第/>个测温点的距离，/>为对应分区内测温点的数量；
非测试区仿真节点的温度值采用进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点的仿真温度值，/>为距离第个非测试区仿真节点最近的第/>个测试区节点的仿真温度值，/>为第/>个测试区节点修正后的温度值。
2.根据权利要求1所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，其特征在于，所述温度测试数据为利用测温热电偶或测温晶体获得的试验条件下涡轮叶片上的离散测温点的温度值。
3.根据权利要求1所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，其特征在于，将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区的方法包括：采用叶身中心线将涡轮叶片划分为叶盆区和叶背区。
4.根据权利要求3所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正方法，其特征在于，所述涡轮叶片内包括至少两个空腔，采用相邻空腔之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
5.一种基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于获取试验条件下涡轮叶片各测温点的温度测试数据；
仿真模块，所述仿真模块用于对涡轮叶片仿真模型进行网格划分，并获得试验条件下涡轮叶片的初始仿真温度场；所述初始仿真温度场包含涡轮叶片仿真模型的网格仿真节点坐标以及各仿真节点对应的仿真温度值；
分区模块，所述分区模块用于将涡轮叶片仿真模型划分为多个分区；
仿真节点划分模块，所述仿真节点划分模块用于遍历每个分区内的测温点及每个分区内的仿真节点，在含有测温点的分区内，测温点为圆心且预设半径范围内的仿真节点标记为测试区节点；在含有测温点的分区内测温点为圆心且预设半径范围外的仿真节点标记非测试区仿真节点，不含有测温点的分区内的仿真节点也标记为非测试区仿真节点；
分析修正模块，所述分析修正模块用于按照计算每个分区内第/>个测试区节点修正后的温度值/>，其中/>为对应分区内第/>个测温点的温度测试数据，/>为对应分区内第/>个测试区节点到第/>个测温点的距离，/>为对应分区内测温点的数量；非测试区仿真节点的温度值采用/>进行修正获得，其中/>为第/>个非测试区仿真节点的修正后的温度值，/>为第/>个非测试区仿真节点的仿真温度值，/>为距离第/>个非测试区仿真节点最近的第/>个测试区节点的仿真温度值，/>第/>个测试区节点修正后的温度值。
6.根据权利要求5所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，其特征在于，所述数据采集模块包括测温热电偶或测温晶体，所述测温热电偶或测温晶体安装于涡轮叶片表面或内嵌与涡轮叶片中，用于获得试验条件下涡轮叶片上的离散测温点的温度值。
7.根据权利要求5所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，其特征在于，所述分区模块用于将涡轮叶片仿真模型至少划分为叶盆区和叶背区。
8.根据权利要求7所述的基于温度测试数据的涡轮叶片温度修正装置，其特征在于，所述分区模块还用于根据相邻空腔之间隔板的中心型面将叶盆划分为多个对应的叶盆二级分区，叶背划分为多个对应的叶背二级分区。
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| Title |
|---|
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|---|---|
| CN116502469B (zh) | 2023-09-05 |
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