[发明专利]一种涡轮叶片外部全气膜冷却参数化优化设计方法

说明书

一种涡轮叶片外部全气膜冷却参数化优化设计方法，属于叶轮机械领域，解决了传统人工优化涡轮冷却结构耗时耗力、气膜冷却效率低、涡轮叶片表面的整体温度高、涡轮叶片的冷却效果不理想、由于不可逆换热导致的损失以及燃气轮机整体效率低的问题，本发明的要点为：将待优化的涡轮叶片分为三个部分，分别对所述三个部分进行优化，得到三个部分的最优结果，将所述三个部分的最优结果进行整合，得到高温涡轮外部气膜冷却全叶片的最优设计方案，完成所述涡轮叶片外部全气膜冷却参数优化设计方法。本发明适用于燃气轮机涡轮叶片外部气膜冷却结构的优化设计。

技术领域

本发明涉及叶轮机械领域，具体涉及一种涡轮叶片外部全气膜冷却参数化优化设计方法。

背景技术

燃气机被誉为“工业皇冠上的明珠”，燃气涡轮作为燃气轮机“三大部件”之一，不仅承担了对外输出功率的作用，同时还兼具带动压气机的重要责任，其重要性不言而喻。其处于燃烧室之后，直接面临着燃烧室出口高温、高压燃气的冲击，因此它的工作环境尤为恶劣且复杂。

目前燃气涡轮第一级导叶的工作温度已经远远超出了其材料的耐热极限，为了使燃气轮机能够正常工作，对高温涡轮叶片进行冷却是必须采取的手段。

气膜冷却是一种有效的冷却方式。通常是通过叶片表面的气膜孔喷射出冷气，在高温主流压力和摩擦力等作用下，与主流燃气进行掺混，并在叶片表面形成一层冷气膜，将叶片表面与主流燃气隔离开来，阻隔主流燃气与叶片表面的直接对流换热。冷气膜的形成阻止了主流燃气与叶片表面的直接接触，能够达到隔热降温的作用。

现有技术存在的问题如下：气膜冷却效率低、涡轮叶片表面的整体温度高、涡轮叶片的冷却效果不理想、由于不可逆换热导致的损失以及燃气轮机整体效率低。

气膜冷却效率是衡量气膜冷却有效性的重要指标，影响气膜冷却效率的因素可以大致划分为两大类，其一是气膜孔的几何参数(如孔倾角、孔型、长径比、孔间距、孔排数等)；其二是气动参数(如吹风比、主流湍流度、温比等)。

在相同的气动参数条件下，对涡轮叶片气膜冷却结构进行优化设计能够提高气膜冷却效率，降低涡轮叶片表面的整体温度或者使涡轮叶片使用更小冷气量达到相同的冷却效果，减小由于不可逆换热导致的损失，提高燃气轮机的整体效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮叶片外部全气膜冷却参数化优化设计方法，解决传统人工优化涡轮冷却结构耗时耗力、气膜冷却效率低、涡轮叶片表面的整体温度高、涡轮叶片的冷却效果不理想、由于不可逆换热导致的损失以及燃气轮机整体效率低的问题。

一种涡轮叶片外部全气膜冷却参数化优化设计方法，所述方法包括：

将待优化的涡轮叶片分为三个部分，所述三个部分分别为：前缘气膜冷却结构、吸力面气膜冷却结构和压力面气膜冷却结构；

对所述前缘气膜冷却结构进行优化：

S1：建立所述三个部分优化的目标函数，确定优化设计变量；

S2：对所述优化设计变量进行参数敏感性分析，得到优化设计参数；

S3：采用涡轮叶片冷却结构参数化建模方法对涡轮叶片进行建模；

S4：调用ICEM脚本文件，对参数化模型进行自动网格划分，得到所需的计算域；

S5：利用CFX中的CCL语言对所述计算域进行前处理，调用CFX求解器，对所述计算域进行后台求解计算，得到求解结果；

S6：编写CCL语言，对所述求解结果进行后处理，得到优化所需的目标函数值对所述目标函数值进行判断，若已达最优，则输出气膜冷却优化结果，完成本阶段的优化，否则，进行步骤S7；

S7：采用优化算法对所述优化设计变量进行优化寻优，得到优化后各个设计参数的取值，重复步骤S3到S6，直到优化完成；