一种基于拓扑优化的燃气轮机气冷涡轮叶片快速设计方法与流程

本发明涉及燃气轮机，具体涉及一种基于拓扑优化的燃气轮机气冷涡轮叶片快速设计方法。

背景技术：

1、燃气轮机涡轮叶片长期工作在高温高压环境中，以目前世界上最先进的j型燃气轮机为例，其涡轮前温度高达1700℃，涡轮叶片在如此恶劣的工况下正常运转，必须采取措施降低叶片表面的金属温度。

2、在过去的二三十年间，燃机涡轮前温度大约以每年15℃的速度在增长，如何在采取少量冷气的情况下提高涡轮进口燃气温度一直是研究的重点内容，为解决这一难题，除了研制新型耐高温材料外，主要通过发展先进可靠的叶片冷却技术。涡轮叶片的冷却通常可分为外部冷却和内部冷却，其中外部冷却除了在叶片表面喷涂热障涂层外，应用最广泛的是气膜冷却，其原理是利用叶身开设的气膜孔和槽缝等结构，让冷气以一定角度和吹风比喷出，从而形成覆盖在叶片表面的低温薄膜，起到隔热和冷却叶片的双重作用。内部冷却的主要目的是强化冷却空气与叶片内表面之间的对流换热系数。图1所示为典型的涡轮转子叶片冷却结构，叶片前缘由于受到高温燃气的直接冲击，具有很高的热负荷，因此采用射流冲击和气膜孔的复合冷却形式，冲击冷却在叶片内壁面上形成很薄的边界层，具有很大的对流换热系数；在叶片中部区域采用带肋蛇形通道，扰流肋不仅增大了对流换热面积，同时其产生的局部涡系破坏了流动边界层和热边界层的发展，增强了换热效果；在尾缘区域，由于受叶片空间的限制，一般布置扰流柱来增强换热，最后冷气经尾缘劈缝流出。扰流柱不仅破坏了内壁面上边界层的发展，而且增大了换热面积，同时还起到支撑作用，对叶片的强度有一定益处。

3、对于涡轮叶片的冷却设计而言，关键的问题之一是如何组织内部冷却空气的流动，不同的流动路径不仅影响到冷却特征的布置，同时还影响到整个流动过程的阻力特性、换热系数分布等，甚至影响供气压力。对于转子叶片，冷气在通道内的流动还受到离心力的作用，此时冷气相对叶片的流动方向对换热效果也存在一定的影响，内部冷却通道方案的筛选和设计在气冷涡轮叶片的研发过程中占据了大量时间，同时对于设计师的经验要求比较高，一般都是在传统的蛇形通道、冲击桥孔等结构形式上进行改进，形式较为固定，很难快速确定叶片内部冷却形式的方法。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于拓扑优化的燃气轮机气冷涡轮叶片快速设计方法，通过优化算法最大化各个区域的加权平均内换热系数，快速确定冷气流路的拓扑结构，实现控制局部的流动特性，达到增强冷却换热效果的目的。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于拓扑优化的燃气轮机气冷涡轮叶片设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、预处理，

5、s100：根据输入叶片陶芯的陶芯外轮廓，将子午流面上沿叶高方向的若干横截面设为水平网格线，将沿叶展方向的若干流路设为垂直网格线，从而为该叶片陶芯构建二维拓扑网格结构；

6、拓扑优化设计，

7、s200：每个网格边或顶点作为一个线单元变量x或顶点单元变量x，根据流量特性和冷却特性确定线单元变量或顶点单元变量x类型及取值；

8、s300：根据线单元变量的连接逻辑将二维网格映射为一维流体网络；

9、s400：求解一维流体网络并优化元件特征参数 。

10、优选的，步骤s200中，步骤s200中，所述线单元变量x根据流量特性取值为整数0、2、3、4，当x=0时，表示断路，无气体流过；x=2时，代表气体可以通过的光滑流路；x=3时，代表带有肋的流路；x=4时，代表扰流柱。

11、优选的，所述步骤200中，包括垂直网格线底部入口对应叶根冷气入口，用一个n维行向量x1=(x1,x2,…xn)代表可能的n个冷气入口；用一个n维行向量x2=(x1,x2,…xn)代表垂直网格线顶部的n个可能的叶顶冷气射流出口；并用一个m维列向量x3=(x1,x2,…xm)t代表叶片尾缘m个可能的冷气出口；陶芯中部区域则分别映射为m维列向量y1=(x1,x2,…xm)t、y2、…y2n-1。

12、优选的，所述冷气入口用一个n维行向量x1代表可能的n个冷气入口，其中，向量x1中每个元素的取值都是0或1，0代表断路，1代表冷气入口；向量x2中每个元素的取值都是0或1，0代表壁面，1代表叶顶冷气射流出口；向量x3中每个元素的取值都是0或1，0代表壁面，1代表叶片尾缘冷气出口。

13、优选的，所述步骤300包括筛选判断相邻线单元变量类型的步骤，去除线单元变量x等于“2”时相邻的6个单元全部是断路(x = 0)的孤立流体域情况。

14、优选的，所述步骤300包括筛选判断相邻线单元变量步骤，将得到的二维网格按照线单元变量类型映射为一维流体网络，包括将二维网格中的直角转弯、绕流柱、叶顶射流出气孔用一维流动分析软件中不同损失特性和流量系数的元件代替，搭建出相对应的一维流动网络。

15、优选的，所述一维流体网络元件包括带肋通道、弯头、光滑通道、节点、劈缝、冲击孔、扰流柱和冷气进出口边界条件。

16、优选的，步骤s400，求解一维流体网络是在代表冷气进出口的元件中设置相应的气动边界条件，并指定各类特征元件在约束边界条件和工艺约束下的几何参数范围，并通过优化算法自动寻优，优化目标为最大化加权平均内换热系数h，

17、优化目标：max(∑βihi)  （1）

18、

19、式（1）约束条件中ṁ为冷气流量，p*1为冷气入口相对总压；asec代表径向流路的横截面积，ξigeom为各类冷却元件的几何参数，例如扰流柱直径φ、流道的高宽比等。

20、优选的，将叶片分为叶根区、前缘区、叶顶区、尾缘区、中部区总共5个区域，通过加权因子分区控制叶片各个区域的平均换热系数。

21、优选的，s400中还包括：判断元件优化后的一维流动网络是否满足设计需求，根据流量特性和加权平均内换热系数最大化要求对一维网络中各元件的参数进行优化，并判断是否满足设计需求，若否，则更新叶片陶芯的二维网格拓扑结构，并重复以上步骤。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、1、本发明提供了一种基于拓扑优化的燃气轮机气冷涡轮叶片快速设计方法，直接在陶芯子午流面确定冷气的流动路径，通过拓扑优化方法快速布置冷却特征，减少了设计初期人工筛选冷气流动方案的工作量，在叶片一维冷却设计阶段，快速确定冷气流路的拓扑结构，而不必拘泥于传统的蛇形通道、冲击桥孔等结构形式，实现控制局部的流动特性，达到增强冷却换热效果的目的。

24、2、本发明将气冷涡轮叶片的内部冷却结构离散为点和线组成的二维网格，将冷却特征结构抽象为统一的设计变量，并通过网格中的线单元来表示，便于确定每个网格的损失特性和流量系数。

25、3、本发明将拓扑优化设计中确定的流动网格与一维流体网络法中的节点和元件进行映射，并通过优化方法对映射后的一维网络中各元件进行优化设计，从而快速高效地计算出流路中各元件的几何和流动参数以及整个流路的内换热系数分布。

26、4、本发明将陶芯分为叶根区、前缘区、叶顶区、尾缘区、中部区总共5个区域，通过加权因子控制每个区域的平均换热系数，并且可以根据实际需要加强局部的冷却换热效果。