考虑椭圆孔偏转角组合的凹槽叶顶气热性能优化研究

为进一步提高凹槽叶顶的冷却与气动性能,基于Kriging代理模型优化算法,耦合商业CFD分析软件,引入椭圆冷却孔型,设计了凹槽叶顶冷却孔组合偏转角参数化方法,并建立了组合偏转角自动优化框架。以实验条件下的GE-E3首级动叶的叶顶冷却孔布局为研究对象,兼顾冷却与气动两方面性能,开展了凹槽叶顶的冷却孔优化设计与气热分析。研究结果显示,在凹槽叶顶布置吸力面朝向与凹槽尾缘朝向的组合偏角气膜孔能有效增强气膜的贴壁性能,扩大气膜的覆盖范围,同时引导了射流向凹槽尾缘堆积,提升了刮削涡对泄漏流的阻塞作用,有效降低了泄漏流量。椭圆孔依靠低曲率的长轴边出流,相较于圆形孔进一步扩大了气膜覆盖范围并提升了贴壁性能,使凹槽尾缘的流线堆积效应相应增强,进一步地减少了泄漏流量。圆形孔优化结构相比参考结构的气膜冷却效率提高了331.7%,泄漏流量相对减少了1.641%;椭圆孔优化结构的气膜冷却效率提升了565.1%,泄漏流量相对减少率为2.063%。

三角形涡发生器增强U型通道换热性能研究

将三角形涡发生器及导叶结构应用于U型通道中,以提高燃气轮机高温叶片内部换热性能。在验证分析方法正确性的基础上,数值研究了采用不同结构时U型通道内的流动及换热特性。与典型的布置斜肋的U型通道不同,三角形涡发生器通过诱导产生下洗涡对,从而有效地强化U型通道的换热能力。而将导叶布置于U型通道转折处,可进一步提高三角形涡发生器在U型通道流出段的换热性能,并降低通道的阻力损失。和典型的布置斜肋的U型通道相比,在不同雷诺数下带导叶且布置三角形涡发生器的U型通道内换热的均匀性显著提高,在通道换热能力相当的情况下,阻力损失显著降低,综合换热性能提高20.0%左右。

迷宫密封结构设计优化

耦合Kriging代理模型、迷宫密封参数化方法和自适应差分进化算法,在数值验证的基础上,完成了某迷宫式密封多目标鲁棒性设计优化。优化时,选取压比和密封间隙作为不确定性变量,同时选取齿厚等10个几何参数作为优化变量,以迷宫密封泄漏量的均值及其方差最小为目标,进行多目标优化。优化后,在给定压比和间隙条件下,最优设计泄漏量降低了29.85%,在压比及间隙同时变化时,密封性能提升同样明显,从而验证了多目标设计优化方法的正确性。