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

文档序号:37944371发布日期:2024-05-11 00:26阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一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:

2.根据权利要求1所述的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,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。

3.根据权利要求1所述的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,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。

4.根据权利要求3所述的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,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。

5.根据权利要求1所述的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,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。

6.根据权利要求1所述的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,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。

7.根据权利要求6所述的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,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。

8.根据权利要求1所述的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,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,

9.根据权利要求8所述的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,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。

10.根据权利要求8所述的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,其特征在于,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。


技术总结
本发明公开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,包括以下步骤:根据叶片陶芯的基本外轮廓,确定沿叶高方向的横截面数和沿流动方向的主要流路数,从而构建二维拓扑网格;冷气的入口和出口分别用n维行向量和m维列向量表示其通断情况;陶芯中部区域使用多个m维列向量表示其内部冷却结构;将二维拓扑网格中的冷却特征结构按照相同连接逻辑用不同损失特性和流量系数的元件代替,搭建出一维流动网络;在代表冷气进出口的元件中设置相应的气动边界条件,通过优化算法最大化各个区域的加权平均内换热系数,从而快速确定冷气流路的拓扑结构,实现控制局部的流动特性和换热系数,达到增强冷却换热效果的目的。

技术研发人员:隋永枫,初鹏,邵文洋,薛彬彬,王博,任晟,吴晨飞,吴宏超
受保护的技术使用者:杭州汽轮动力集团股份有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/5/10
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