面向增材制造的涡轮叶片内部填充桁架点阵结构的冷却机理研究

With the innovation of advanced additive manufacturing technology, a frontier issue that how to design high efficient cooling turbine vanes/blades in the relatively free space has been put forward. In this study, the advanced lattice truss structures are proposed to replace the traditional internal cooling ribs. Taking the first-stage guide vane of a heavy-duty gas turbine as the research object, aiming at the key issues of the topological configuration of truss cells, the macro-micro-coupling mechanism of fluid flow and heat transfer and the multi-functional integrated design, the combined research methods of experiment and numerical simulation for high temperature turbine vanes has been put forward to study the complex flow and the mechanism of heat transfer enhancement of the lattice truss structures. Meanwhile numerical calculation method of the coupling mechanism for the complex vortex flow, heat transfer and strength performances will be established. It is expected to reveal the correlations of truss topological morphology, lattice structure parameters, material properties, flow conditions with fluid flow, heat transfer and mechanical properties of lattice truss structures filled in turbine vanes, to set up a multi-functional integrated structural optimization design method for cooling turbine vanes made by the additive manufacturing, and to provide reference of new theory, technique and tools for the development of high temperature vanes in the next advanced gas turbine.

面向先进的增材制造技术，如何在结构相对“自由”的创造空间去设计高性能涡轮冷却叶片，是一个制造技术革新而引出的前沿问题。本项目提出采用先进的桁架点阵结构来替代传统内冷扰流肋片，以某重型燃机第一级导叶为研究对象，围绕“桁架单元拓扑构型--宏微观热流耦合机制-多功能集成设计”关键问题，采用实验观测和数值模拟相结合的方法，研究高温涡轮叶片尺度下桁架点阵结构内的复杂流态与强化换热耦合机理，建立桁架点阵结构内气流不同流态、传热、强度相耦合的数值计算方法，揭示涡轮叶片内部填充桁架单元拓扑形态、点阵结构参数、材料属性、气流工况与气动、传热、力学特性之间的内在关联规律，有望构建面向增材制造涡轮冷却叶片多功能集成的结构优化设计方法，为我国先进的高温涡轮冷却叶片研制提供新的理论、方法和工具。

燃气轮机作为一种高效清洁的重要动力装备，在国民经济与国防建设中具有重要作用。研究和改善燃气轮机冷却技术，是当前提高燃机效率的重要手段。本项目利用实验和数值模拟相结合的方法，以某重型燃气轮机高温涡轮第一级导叶为研究母型，探究了涡轮叶片模化工况下微类桁架填充内冷通道内流动与传热机理；完成各类微类桁架填充内冷通道内的复杂流态与传热耦合过程的建模与分析，建立微类桁架填充内冷通道内的流动与传热特性的数值计算方法；并提出基于ISIGHT-FD平台的结构-流动-传热集成约束下的微类桁架构型的优化设计方法。研究表明，改变入口雷诺数，能极大改善Kagome微类桁架结构的流动换热性能。在研究的工况范围内（Re=5000~30000），增大雷诺数，能使综合影响因子提升1.8倍。此外，微类桁架结构主要通过柱杆端部扰流作用，产生多个复杂的涡系结构，各旋涡之间的交互作用，激起了壁面边界内气流的湍动能变化，进而增强了换热效果。建立了响应面模型和神经网络模型以及遗传算法对Kagome结构参数进行了多目标优化，当Re=5000~50000，优化结果为：0.169≤d/H≤0.18，47.53°≤α≤50.99°，120.27°≤β≤124.55°，并且通过试验验证优化了优化结果的可靠性。并将桁架结构实际应用于某国产在研第一级导叶时，“X”型桁架结构的冷却效率比圆柱肋结构提升了3.7%，“X”型桁架结构综合换热性能优异。本研究共发表论文36篇，其中SCI期刊论文22篇，国内核心期刊论文14篇（EI12篇），会议论文13篇，申请及授权国家发明专利13项，培养毕业研究生7名。项目首次就涡轮叶片内冷通道，构建了点阵桁架结构参数与传热、强度、振动、重量等的函数表达式，同时利用人工智能的机器学习方法为涡轮叶片冷却通道建立了多目标设计方法，该智能设计方法已运用于两机专题项目“400MW燃烧室复合冷却结构优化及冷效试验”，为燃烧室火焰筒成功设计了6种创新性的概念冷却结构。