气冷涡轮动叶叶顶多目标拓扑优化研究

The coupled aero-thermal optimization of the blade tip is one of the important subjects in the refined design for modern air-cooled gas turbines. The innovative fluid topology optimization strategy, which has tremendous application potentials, will be adopted in this proposal to conduct multi-objective optimizations of blade tip structures and tip cooling hole arrangements for turbine blades. Effects of the casing relative motion and the leaked fluid-coolant interactions will be considered during the design process. This is aimed at simulating real operating conditions of rotor blades. Subsequently, numerical simulations and wind tunnel experiments will be carried out to verify the aerodynamic and thermal performance of the optimized tip geometries with or without tip cooling holes. Topology optimization algorithms that are suitable for gas turbine blade tips will be developed. Novel tip arrangements with excellent aero-thermal effectiveness and easy manufacture will be obtained. Meanwhile, influence of the leakage-coolant interaction and the casing relative motion on tip aerodynamic and heat transfer performance will be clarified. These results can provide theoretical foundations for the topology optimization to be broadly applied in turbomachinery and offer technical supports to produce new generations of highly efficient tip aerodynamic and cooling structures.

动叶叶顶气动传热耦合设计是现代燃气气冷涡轮精细化设计的重要组成部分。本项目采用具有很高应用潜力的新型流体拓扑优化方法，开展涡轮动叶叶顶及其冷却孔布置的气动传热多目标优化，设计中预先考虑叶顶和机匣间的相对运动效应和冷气与泄漏流的相互作用，以模拟动叶实际工作运行条件。采用数值计算和叶栅风洞实验验证优化所得有、无冷却叶顶结构的气动和传热性能。通过研究，开发出适用于燃气涡轮动叶叶顶设计的拓扑优化算法；得到可加工制造的且性能优良的新型叶顶气动冷却结构；获得间隙泄漏流与冷气流相互作用和机匣相对运动对叶顶气动和传热特性的影响机理。为拓扑优化方法应用于叶轮机械设计领域提供理论依据，为促进新型高效叶顶气动-冷却结构的发展提供技术支撑。

燃气涡轮动叶叶顶气动传热性能对燃气涡轮性能有着重要影响，其耦合设计是现代气冷涡轮精细化设计的重要组成部分。本项目采用流体拓扑优化方法，开展了气冷涡轮动叶叶顶的气动传热多目标优化研究。开发了可压缩流体拓扑优化的伴随分析体系，建立了高效稳定的适用于叶顶气动结构的气热分层和耦合拓扑优化流程方法。基于此体系，对亚声速、跨声速涡轮叶栅叶顶进行了拓扑优化设计，获得了从压力侧到吸力侧的“上凸-下凹-再上凸”的叶顶新结构。对于所研究亚声速叶栅，实验和数值模拟结果均表明：相对于平顶叶栅，带有拓扑优化后叶顶的叶栅降低了总压损失，有效改善了叶顶间隙泄漏现象。对于所研究的跨声速叶栅，数值计算结果表明：相比于平顶，气动单目标拓扑优化得到的叶顶能使叶栅总压损失降低5.58%，气动传热多目标拓扑优化得到的叶顶能使总压损失降低5.93%。同时，与气动单目标优化拓扑叶顶相比，气动传热多目标拓扑优化会使叶顶温度降低。.在上述研究基础上采用基于源项法的数值技术，对叶顶喷气孔个数和位置进行了气动和传热的多目标优化，获得了叶顶非均匀布置的喷气孔优化结构。数值模拟结果表明：相对于均匀分布的喷气孔结构，喷气孔位置优化后的叶顶表面冷却效率有了一定的提升，且优化后使得叶顶前缘靠近吸力侧附近冷却效果更加均匀，提升了叶顶前缘的冷却效率。最后，采用可转动的机匣代替常规静止的上栅板机匣进行了叶顶传热性能实验验证。分别进行了无冷却叶顶和有冷却叶顶的跨声速叶栅传热实验。对于无冷却叶顶结构，对比研究了平顶和拓扑优化二种不同叶顶结构的涡轮叶栅叶顶传热性能。实验结果表明：拓扑优化叶顶比平顶叶栅表面平均对流换热系数降低了1.53%，表明拓扑优化叶顶结构传热性能优于平顶叶栅；对于有冷却的拓扑优化的叶顶结构，叶片前缘处冷却效率明显高于其它区域，靠近吸力面叶片区域冷却效果好于靠近压力面区域，且设计冷气量（0.5%主流流量）冷却效果明显好于非设计冷气量。本项目研究成果为拓扑优化方法应用于叶轮机械设计领域提供了理论依据，为促进新型高效叶顶气动-冷却结构的发展提供技术支撑。