《燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模化方法》编制说明

《燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模化方法》

团体标准编制说明

（征求意见稿）

一、工作简况

1.任务来源

本标准是依据中航学字[2024]105号文“关于《燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综

合冷效模化方法》团体标准立项的通知”而制定。

2.工作组情况

本文件由北京航空航天大学联合有关研究机构共同编写。

3.国内外情况

航空发动机的冷却技术是确保其安全工作的第一道屏障。在高温、高压的工作环

境下，发动机的冷却系统需要有效地将热量转移至冷气，以防止部件过热和性能下降。

国内外普遍采用综合冷效作为评判冷却效果好坏的指标，尽管各团队普遍采取试验对

涡轮叶片的综合冷效开展研究，但是真实发动机工作状态有着高温高压高转速的特

点，实验室中极难实现，因此需要通过模化来模拟真实状态，通过实验室状态开展试

验，对结果修正后得到与真实状态结果接近的综合冷效值。

因此，如何获得一个精度更高的模化方法就直接关系对试验结果的处理准确度。

如果处理精度不足，就会使得对叶片的保护能力不足，设计得到的涡轮叶片就会产生

严重的烧蚀现象。目前国内外对模化有着多种方法，各个团队方法不一，未能实现有

效的统一，因此实验得到的结果不仅无法验证是否与真实状态结果相近，不同团队之

间的结果也缺少可借鉴性。

建立一套符合国内实际、与国际接轨的测试规范，将有助于填补这一空白。通过

规范的制定和推广，可以提升国内企业的涡轮叶片设计水平，促进技术的交流和合作，

加快航空发动机技术的进步。同时，这也将有助于提升我国在国际航空发动机领域的

话语权和影响力，为我国航空工业的发展提供强有力的技术支撑。

综上所述，从国家战略需求出发，结合航空发动机设计与真实状态下结果的重要

性、发动机冷却技术的关键性以及国内模化方法的不统一性，建立《燃气涡轮发动机

涡轮转子叶片综合冷效模化方法》团体标准具有重要的现实意义和长远的战略价值。

这不仅能够提升我国航空发动机的研发水平和国际竞争力，还能够为国家安全和航空

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事业的发展提供坚实的技术保障。

4.制订的基本原则

本标准的制定工作遵循“科学实用、指导操作”的原则。

科学实用原则。在尊重科学、紧密结合实践、广泛征求意见及调查研究的基础上，

紧贴零件实际试验过程，具有可操作性和实用性。

指导操作原则。编制组将本标准定位为一份指导性技术文件。旨在为标准使用者

提供必要信息，切实地指导试验操作。

因此，在标准内容描述方面，采用了很多论述性文字描述，提供了很多计算公式。

二、标准的研制情况

1.制订的主要工作内容

1）标准的适用范围

本文件规定了模化关系式形式，相似参数，相似指数确定及其应用方法等内容。

本文件适用于燃气涡轮发动机的中/低温工况综合冷效结果向真实高温高压高转

速工况结果的模化，以及其他可以帮助涡轮叶片试验结果模化的情况。

2）主要标准框架内容

本标准分为7章内容，具体如下：

2.标准制订的基本过程

2024年8-9月，北京航空航天大学提出制定标准的建议，并拟邀请中国航发湖

南动力机械研究所、中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航发沈阳发动机研究所、中

航商用航空发动机有限责任公司、中国航发贵阳发动机设计研究所等共同参加。

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2024年9月20日，中国航空学会团体标准推进工作委员会在北京组织召开了《涡

轮转子叶片综合冷效试验结果模化标准》团体标准立项评审会。会议成立了立项评审

专家组（专家名单见附件）。与会专家听取了标准申报单位北京航空航天大学对标准

立项的目的、意义以及标准拟定内容、编制方案等情况的汇报，并对有关问题进行了

质询。经与会专家认真的评议和讨论，认为：1.涡轮转子叶片综合冷效模化方法是北

航科研项目的创新成果，具有一定的推广价值。该标准立项的必要性充分，申报单位

具有相应的技术储备，标准编制方案可行，符合中国航空学会团体标准立项要求。评

审专家组一致同意该项团体标准通过立项评审。建议标准名称修改，改为：《燃气涡

轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模化方法》。

2024年9月26日，在全国团体标准信息平台发布立项公告。

2024年10月，北京航空航天大学组建了课题组。编制组成员进行标准查询，总

结课题成果和试验室经验，编制形成标准初稿，并于课题组进行讨论。

2024年10月-11月，广泛征求意见。2024年10月中旬，编制形成征求意见稿，

按学会要求开始征求意见。拟定通过全国团体标准信息服务平台、相关领域专业专家

微信邮件等方式征求意见。

拟定于2024年11月中下旬，汇总征求意见情况，邀请专家研讨，讨论修改。

拟定于2025年2月召开技术讨论会。

拟定于2025年3月进行标准审查。

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3.解决的主要问题

本标准为航空发动机涡轮转子叶片实验室的中/低温低转速工况结果向真实结果

的模化提供规范、统一、协调的方法，可准确获得转子叶片真实状态下的综合冷效，

为转子叶片准确设计提供模化方法，支撑型号设计。

4.其他情况

无

三、标准主要技术内容

3.1试验关系式法定义

涡轮叶片试验关系式法，其根据相似理论，将目标工况及目标（涡轮叶片）进行

简化，随后针对简化后的模型分析微分方程式，对综合冷效的分析主要聚焦换热关系

式，将关系式推导、整合，可以的得到关于综合冷效的表达式，其表征了各个相似参

数与综合冷效的关系，随后将这些函数关系投射到需要研究的实际目标上，进而可以

得到实际目标中各个想要关注的参数之间的函数关系，将其成为试验关系式，通过对

已知涡轮叶片的试验数据进行整理，可以获知各个相似参数对综合冷效的影响程度，

从而使得该关系式可以定量的确定任一工况下涡轮叶片的综合冷效。

3.2推导过程

取叶片表面微元体，略去弦向、展向和热辐射的影响，并假设叶片内外表面积相

等，则稳态热平衡方程为：

(TT)(TT)

ggWcWc(1)

由综合冷效定义式：

TT

cgW

TT

gWc(2)

由燃气和冷气边换热系数关系式：

d

NuggCRem

ggg

g(3)

dn

NuccCRe

ccc

c(4)

经方程（2）～（4）整理得到：

nz

GTnm

ccg

CReg

gGgTc

(5)

进而得到试验关系式

nm

cnz

CKGKTReg

g(6)

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上述关系式为针对静止工况的已有试验关系式法，但是其局限性在于并未考虑到

旋转状态影响。因此对此前的试验关系式法进行补充，增加了转速的相似参数

Nr。

KN

T

在试验过程中，转速相似参数定位KN，其以相似转速为定义基础。但是静止试

验中，转速为0，以此将KN简单的定义为相似转速会使得静止工况下综合冷效计算结

Nr

果为0，不正确，因此为防止关系式通用性降低，将KN定义为1，当转速为0时，

T

相似参数为1，表示此时旋转不对综合冷效产生额外影响。而当转速为常见参数时，

Nr

考虑实验室状态到转速为100转/秒以上，温度为600K以上，旋转半径为0.3m，此时

T

值大于100，后面的“+1”对结果影响极为有限，且与实际中，转速对综合冷效的较

平稳变化情况符合。

最终形成试验关系式：

nznm（）

CKGKTRegQK7

N

Q指代多项式，原因是分析转速对综合冷效的影响时，其分布规律更贴近抛物线

而非指数函数，因此将转速的影响规律定义为多项式形式。

3.3指数计算

在试验中采取控制变量法，针对试验叶片，设置试验对比工况，定为test工况，

以该工况为基础设置多个工况，每个工况保证流量比（KG）、温比（KT）、主气雷

诺数（Reg）和转速相似参数（KN）之中四个参数不变，仅改变一个参数，每个参数

设置4-10组变化工况，记录每个工况综合冷效结果，从而获得以变化的参数为自变量，

综合冷效为因变量的变化曲线。再采用多元线性拟合求出各变量的指数与系数。

以雷诺数为例，设置四组工况，仅改变主气雷诺数，其与原工况主气雷诺数之比

分别为0.6,0.8,1.2,1.4，得到的综合冷效如下表所示：

表2综合冷效随雷诺数变化表

雷诺数与原工况之比综合冷效

0.60.9337

0.80.9581

1.21.0303

1.41.0561

绘制曲线图并拟合曲线如图1所示：

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图1综合冷效随雷诺数变化曲线图

通过曲线拟合得到了目标叶片的指数n-m=0.15。

针对每个相似参数均开展以上试验与计算，可以得到各个相似参数的指数n，z，

值及多项式表达式，最终代入关系式：nznm中计算得

n-mCKGKTRegQK

N

到综合冷效常数C。

以E3叶片为例，其标准工况如下表所示：

表3标准工况参数表

参数单位数值

主流总温K683.8

主流流量kg/s0.1553

冷气总温K344

冷气流量kg/s0.0077

转速转/分7887.5

通过多组仿真，获得了流量比、温比与雷诺数的相似指数，分别为0.39，-0.01与

，而转速的影响规律为624。为验证关系式准确性，设

0.15810KN910KN1

置对照工况：

将雷诺数与温比提高20%，雷诺数的改变方式是通过调整主流流量实现，冷气流

量不变，此时流量比变为原先83.3%，转速调整为10000转/分，相似转速变为原先的

126.8%。

开展仿真对比综合冷效，标准工况综合冷效为0.4256，依据试验关系式计算得到

的综合冷效应为0.40248，实际仿真得到的综合冷效结果为0.39073，误差约为3%，精

度极高，试验关系式可靠。

3.4转速相似参数的适用性

在推导中，保证了各个转速下入口气流角的匹配，当保证涡轮叶片入口气流角与

发动机真实工况匹配时，转速相似参数可以表征整个叶片综合冷效的变化规律。如果

无法保证入口气流角，那么通过仿真发现，在不调节导叶的情况下，随着转速的变化，

入口气流角会随着转速的增加而变化，入口气流角的变化首先会导致气流在叶片前缘

的滞止点发生偏移，进而会使得叶片表面综合冷效在压力面、吸力面呈现两个不同的

变化趋势，且二者变化趋势相反，例如气流角的变化使得滞止点向着压力面偏移时，

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压力面就会因为燃气流量的增加而降低综合冷效，与此同时流场的变化就会同样导致

吸力面的综合冷效产生明显的提升。且随着转速的变化，这种变化是单调的，因此为

获得有效的试验关系式法以保证模化结果误差小，此时应对压力面与吸力面分别求解

转速相似参数的指数，即将KN拆分为KNs与KNc，即吸力面转速相似参数与压力面转速

相似参数。指数拆分为is与ic。获得无法保证气流角时的吸力面试验关系式：

nm

nz（）

sCKGKTRegQK8

Ns

与压力面

nm

nz（）

cCKGKTRegQK9

Nc

3.5试验关系式法适用性

根据仿真与试验发现，不同叶型，不同冷却结构都会对相似参数的指数产生影响，

其中叶型、叶片结构对流量比与温度比的指数影响最大，叶片变化较大时（E3叶片与

C3X叶片之间）影响幅值甚至超过50%。因此针对不同结构的叶片均需要开展上述步

骤获取适用于该型叶片的模化相似参数指数。

在完成获取适用于叶片的关系式后，即可利用关系式计算任意工况下涡轮叶片综

合冷效值，且误差极小，可以有效地实现中/低工况向真实发动机工况的模拟。

四、主要试验（或验证）情况

本标准内容在LJ项目《航空发动机涡轮叶片冷效实验高低工况模化方法研究》

等课题项目中得到验证。

五、标准中如果涉及专利，应有明确的知识产权说明

本标准所涉及的方法未查询到相关专利。

标准正文中未对专利进行引用，也为限制或指定使用专利中方法。标准使用时，

可依据实际需求考虑。

五、预期达到的社会效益等情况

涡轮叶片综合冷效模化方法的确定至关重要，它不仅仅可以有效的将涡轮叶片试

验状态下的综合冷效值精准的模化到真实状态，并且可以有效的统一各个团队的模化

方法，从而提高发动机的整体性能和安全性。

六、采用国际标准和国外先进标准情况

本标准无对应的国际标准。

引用了基础标准：

——HB20086航空燃气涡轮发动机涡轮叶片综合冷却效果试验方法

——HB7081航空燃气涡轮发动机轴流涡轮气动性能试验方法

七、与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特别是强制性标准的协调性

本标准与现行法规和强制性标准协调，标准内容中均无强制性相关内容。

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八、重大分歧意见的处理经过和依据

无

九、标准性质的建议说明

中国航空学会团体标准为推荐性标准。

十、贯彻标准的要求和措施建议

建议学会组织进行标准内容的宣贯。鼓励各企业推荐参考本标准提供的方法试

验，可将试验方法纳入企业技术文件，具体实施。

十一、废止现行相关标准的建议

无。

十二、其他

无。

燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模化方法

团体标准编制工作组

2024年10月10日

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中国航空学会团体标准

编制说明

项目名称：燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模

化方法

计划项目代号：中航学字[2024]105号

主要起草单位：北京航空航天大学

2024年10月

《燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综合冷效模化方法》

团体标准编制说明

（征求意见稿）

一、工作简况

1.任务来源

本标准是依据中航学字[2024]105号文“关于《燃气涡轮发动机涡轮转子叶片综

合冷效模化方法》团体标准立项的通知”而制定。

2.工作组情况

本文件由北京航空航天大学联合有关研究机构共同编写。

3.国内外情况

航空发动机的冷却技术是确保其安全工作的第一道屏障。在高温、高压的工作环

境下，发动机的冷却系统需要有效地将热量转移至冷气，以防止部件过热和性能下降。

国内外普遍采用综合冷效作为评判冷却效果好坏的指标，尽管各团队普遍采取试验对

涡轮叶片的综合冷效开展研究，但是真实发动机工作状态有着高温高压高转速的特

点，实验室中极难实现，因此需要通过模化来模拟真实状态，通过实验室状态开展试

验，对结果修正后得到与真实状态结果接近的综合冷效值。

因此，如何获得一个精度更高的模化方法就直接关系对试验结果的处理准确度。

如果处理精度不足，就会使得对叶片的保护能力不足，设计得到的涡轮叶片就会产生

严重的烧蚀现象。目前国内外对模化有着多种方法，各个团队方法不一，未能实现有

效的统一，因此实验得到的结果不仅无法验证是否与真实状态结果相近，不同团队之

间的结果也缺少可借鉴性。

建立一套符合国内实际、与国际接轨的测试规范，将有助于填补这一空白。通过

规范的制定和推广，可以提升国内企业的涡轮叶片设计水平，促进技术的交流和合作，

加快航空发动机技术的进步。同时，这也将有助于提升我国在国际航空发动机领域的

话语权和影响力，为我国航空工业的发展提供强有力的技术支撑。

综上所述，从国家战略需求出发，结合航空发动机设计与真实状态下结果的重要

性、发动机冷却技术的关键性以及国内模化方法的不统一性，建立《燃气涡轮发动机

涡轮转子叶片综合冷效模化方法》团体标准具有重要的现实意义和长远的战略价值。

这不仅能够提升我国航空发动机的研发水平和国际竞争力，还能够为国家安全和航空

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事业的发展提供坚实的技术保障。

4.制订的基本原则

本标准的制定工作遵循“科学实用、指导操作”的原则。

科学实用原则。在尊重科学、紧密结合实践、广泛征求意见及调查研究的基础上，

紧贴零件实际试验过程，具有可操作性和实用性。

指导操作原则。编制组将本标准定位为一份指导性技术文件。旨在为标准使用者

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