涡轮叶片气—热耦合计算和设计优化数值研究

本文对涡轮叶片叶型优化设计进行了探索，并结合气热耦合的方法对设计出来的叶片进行了冷却孔布局优化；针对某涡轮导叶使用中被烧蚀情况，提出解决方案并进行数值模拟。 为实现涡轮叶片的优化设计，本文采用参数造型法和贝塞尔曲线结合的方法进行叶片初步造型，结合N-S方程流场模拟，利用多目标遗传算法和序列二次规划算法的组合优化算法，通过调节吸力面和压力面的关键控制点参数对其压力损失和转折角进行优化，优化结果表明此方案切实可行。 在分析叶片内部传热时，针对传统方法需要事先给出相关经验参数的困难以及计算结果精度差的缺点，本文采用气热耦合计算方法进行气动-传热分析，这种方法无需指定对流换热系数和热流密度等经验参数，只须要给出气流与固体之间的流动换热物理条件。结合该分析方法，针对前面优化出来的叶片开孔冷却时，对5个孔的位置进行了优化来降低叶片温度。 针对某高压涡轮导叶在实际使用时尾缘被烧蚀情况，利用气热耦合方法对其进行了数值模拟，与绝热计算对比表明，气热耦合计算的叶片温度场更接近真实情况。同时采用尾缘压力面开缝冷却的设计方法，通过对三种不同开缝方案进行数值模拟，分析其规律。计算结果表明，该设计方法是有效的，获得的最优冷却方案效果明显，可以使得叶片最高温度下降了180K。