[发明专利]一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法

说明书

本发明公开了一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域；步骤二、获取设计变量；步骤三、坐标转换技术和建模；步骤四、有限元网格划分；步骤五、对流导热系数推导；步骤六、施加边界条件；步骤七、确定目标函数，进行有限元分析；步骤八、对变量进行扰动，记录灵敏度数据；步骤九、优化算法；步骤十、输出结果。本发明通过对C3X叶片内部冷却通道的位置、大小等进行优化，并与遗传算法比较，该优化流程明显提高了优化效率，大大缩短了优化所需的时间，并且该流程能处理应力场和温度场的耦合问题。

技术领域

本发明涉及一种产品结构优化方法，具体涉及一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法。

背景技术

目前，在航空燃气涡轮发动机的设计工程中，通过增加涡轮进口燃气温度T3*来提高推重比和热效率。20世纪70～80年代投入使用的发动机其入口温度达1600K，到20世纪90年代的发动机，如F119的涡轮进口燃气温度已达1800K，而综合高性能发动机技术计划(IHPTET)预期在2020年使涡轮的进口燃气温度达到2360K左右。涡轮入口温度的大幅提高给发动机的正常运行带来了一系列的问题。

一般来说，有两种途径保证涡轮叶片在高温条件下正常工作：一是不断发展耐热性能更好的叶片材料；另一种是通过采用先进的冷却技术降低叶片的壁面温度，从而使燃气的进口温度提高。但涡轮进口温度提高的速度远高于叶片材料耐温性能的发展速度，所以，在继续发展耐高温材料的同时，必须采用有效的冷却技术来保证涡轮在高温燃气下可靠地工作。

处理叶片冷却系统的优化问题，通常涉及到相当高数量以及复杂的设计变量，在该领域中采用最多的优化算法是遗传算法。但遗传算法是建立在庞大的遗传代数和巨大计算量的基础上，所需时间非常长，虽然可以获取全局最优解，但目标函数的选取，尤其是对于多目标优化的权重分配需要通过经验和尝试来实现，而此过程又需要大量的时间来积累，所以，遗传算法在求解多变量、多目标的工程问题并不现实，也不可靠。因此，建立一种高效的优化流程和优化方法成为必然。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够求解杂的多场耦合问题，优化时间短的高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法。

本发明是这样实现的：

一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：

步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域

目前，C3X叶片是本领域常规的一个部件，结构如附图1所示，在原始的C3X叶片上有10个冷却孔。本发明就是基于C3X叶片的基本结构，仍然采用10个孔的基本拓扑结构，在此基础上改变孔的位置和直径进行寻优，获得涡轮叶片内部冷却结构优化方法。

优化之前，必须对设计域进行必要的规定以保证拓扑结构的一致以及孔之间的不干涉，除此之外，还要从加工的角度考虑到冷却孔边界和叶片边界的最小距离与冷却孔之间的最小距离，设计域的基本定义条件如下表所示：

表2基本设计域条件

为了满足叶片边界和冷却孔边界的最小距离，将叶片边界沿边界内法向方向趋近1mm，另外，为实现冷却孔结构和原始叶片的拓扑结构不变，且尽可能的扩大移动范围，将中心区域按照原始10孔的位置排布进行最大限度的分割，分为10块，并且尽可能的拟合叶片边界形状。第一圆孔1和第二圆孔2的设计域采用圆形区域，用极坐标形式来表示位置；第三圆孔3～第十圆孔10周围边界近似矩形，故采用矩形区域，用笛卡尔直角坐标来表示。

步骤二、获取设计变量

整个设计域由2个圆形和8个矩形构成，为了将这些几何图形转化为实际的数值作用域，可以对设计变量进行约束，将这些离散的设计域进行记录。对于前两个圆域，记录其圆心位置和直径；对于矩形域，选取每个矩形左下角的点作为特征点，记录位置坐标、长、宽以及倾斜角。