一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域；步骤二、获取设计变量；步骤三、坐标转换技术和建模；步骤四、有限元网格划分；步骤五、对流导热系数推导；步骤六、施加边界条件；步骤七、确定目标函数，进行有限元分析；步骤八、对变量进行扰动，记录灵敏度数据；步骤九、优化算法；步骤十、输出结果。本发明专利技术通过对C3X叶片内部冷却通道的位置、大小等进行优化，并与遗传算法比较，该优化流程明显提高了优化效率，大大缩短了优化所需的时间，并且该流程能处理应力场和温度场的耦合问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法
本专利技术涉及一种产品结构优化方法，具体涉及一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法。
技术介绍
目前，在航空燃气涡轮发动机的设计工程中，通过增加涡轮进口燃气温度T3*来提高推重比和热效率。20世纪70～80年代投入使用的发动机其入口温度达1600K，到20世纪90年代的发动机，如F119的涡轮进口燃气温度已达1800K，而综合高性能发动机技术计划(IHPTET)预期在2020年使涡轮的进口燃气温度达到2360K左右。涡轮入口温度的大幅提高给发动机的正常运行带来了一系列的问题。一般来说，有两种途径保证涡轮叶片在高温条件下正常工作：一是不断发展耐热性能更好的叶片材料；另一种是通过采用先进的冷却技术降低叶片的壁面温度，从而使燃气的进口温度提高。但涡轮进口温度提高的速度远高于叶片材料耐温性能的发展速度，所以，在继续发展耐高温材料的同时，必须采用有效的冷却技术来保证涡轮在高温燃气下可靠地工作。处理叶片冷却系统的优化问题，通常涉及到相当高数量以及复杂的设计变量，在该领域中采用最多的优化算法是遗传算法。但遗传算法是建立在庞大的遗传代数和巨大计算量的基础上，所需时间非常长，虽然可以获取全局最优解，但目标函数的选取，尤其是对于多目标优化的权重分配需要通过经验和尝试来实现，而此过程又需要大量的时间来积累，所以，遗传算法在求解多变量、多目标的工程问题并不现实，也不可靠。因此，建立一种高效的优化流程和优化方法成为必然。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够求解杂的多场耦合问题，优化时间短的高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法。本专利技术是这样实现的：一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域目前，C3X叶片是本领域常规的一个部件，结构如附图1所示，在原始的C3X叶片上有10个冷却孔。本专利技术就是基于C3X叶片的基本结构，仍然采用10个孔的基本拓扑结构，在此基础上改变孔的位置和直径进行寻优，获得涡轮叶片内部冷却结构优化方法。优化之前，必须对设计域进行必要的规定以保证拓扑结构的一致以及孔之间的不干涉，除此之外，还要从加工的角度考虑到冷却孔边界和叶片边界的最小距离与冷却孔之间的最小距离，设计域的基本定义条件如下表所示：表2基本设计域条件为了满足叶片边界和冷却孔边界的最小距离，将叶片边界沿边界内法向方向趋近1mm，另外，为实现冷却孔结构和原始叶片的拓扑结构不变，且尽可能的扩大移动范围，将中心区域按照原始10孔的位置排布进行最大限度的分割，分为10块，并且尽可能的拟合叶片边界形状。第一圆孔1和第二圆孔2的设计域采用圆形区域，用极坐标形式来表示位置；第三圆孔3～第十圆孔10周围边界近似矩形，故采用矩形区域，用笛卡尔直角坐标来表示。步骤二、获取设计变量整个设计域由2个圆形和8个矩形构成，为了将这些几何图形转化为实际的数值作用域，可以对设计变量进行约束，将这些离散的设计域进行记录。对于前两个圆域，记录其圆心位置和直径；对于矩形域，选取每个矩形左下角的点作为特征点，记录位置坐标、长、宽以及倾斜角。一个圆在空间中唯一确定需要3个变量，x，y坐标和直径，故10个冷却孔共有30个设计变量。用ρi，θi，di分别表示第1、2个孔的极坐标直径和角度、孔径；用xi，yi，di分别表示第3～10个孔的横坐标，纵坐标和直径。孔的编号顺序和原始构型相同(i∈[1,2,3…10])。步骤三、坐标转换技术和建模在优化过程中，只有设计变量在迭代中是不断更新的，其他环节是固定的，对于目前的设计变量和设计域来说，设计变量的取值范围不易获取。一种方法是在设计域内指定该域中可选离散点和相应直径，此方法可以在近壁面处出现小直径孔洞，直径大小对位置分布影响较小，但需要大量的采集数据点，几乎不可实现；另一种方法是采用坐标转换技术，将设计域由全局坐标经过坐标系的旋转平移用与坐标轴正交的矩形域来表示，这样设计变量的取值范围可以规定在一个定常范围之间，简单可行。对于第一圆孔1和第二圆孔2，将局部坐标建立在圆域中心，由于是极坐标表示，故只需进行一次坐标平移；而对于其余矩形域，将局部坐标系的x，y轴分别与矩形的两边平行，原点建立在矩形域的特征点，从局部到全局需要进行坐标的平移和旋转。式中，x，y表示全局坐标系下的坐标；xi，yi表示在第i个冷却孔局部坐标系下的坐标；xfi，yfi表示第i个冷却孔局部坐标系的特征点坐标，θfi表示矩阵底边与全局x坐标的夹角，用来定义旋转矩阵。T为平移矩阵；R为旋转矩阵。通过该式变换后，局部坐标点将被转换成全局坐标系下点，这样一来就可以很容易在局部坐标系下规定设计变量的定常取值范围，表示出全局坐标系下几何矩阵的数学表达形式。步骤四、有限元网格划分对于有限元中的热力耦合分析，需要对分析所必须的某材料属性进行赋值和规定，材料定义好后，将建好模的平面进行有限元划分，选取PLANE13耦合单元，单元尺寸设为1。步骤五、对流导热系数推导首先，对问题做出3点假设：假设气体采用常值空气的热物理性质；假设流体流量不变；假设各冷却气体的温度不变。冷却通道的对流换热系数可以看作是努赛尔数的函数:式中，λ为流体传热系数，d为冷却通道的水力直径。对于努赛尔数，在管中强制对流近似完全发展阶段的经验公式是:Nu＝0.023Re0.8Pr0.4式中，Pr和Re分别代表普朗特数和雷诺数，普朗特数取常值0.7，雷诺数用下式表示:式中，ρ代表材料密度，v代表流体流速，d代表冷却孔水力直径，μ代表粘度:将数值普朗特数和π代入式中，可以将表达式简化为h＝0.0242·C(λ,M,μ)d-1.8式中，M代表冷却剂流量。从该表达式中容易看出，对流换热系数h最后简化为由四个量决定的函数，分别是传热系数λ，动力粘度μ，流量M和水力直径d，前两个量是流体的性质，仅随温度变化，因为各冷却孔的温度固定，故对每一个冷却孔来说，两者固定；流量M在假设中也不发生变化，仅由具体孔来决定；实际优化中，完全未知的是水力直径d，我们把对流换热系数看作是自变量为直径d的表达式，而C(λ,M,μ)看作变化系数，对于一个确定的孔来说，C为一个常数。步骤六、施加边界条件分析之前需要对模型进行载荷和约束的施加，考虑到模拟的工况是在温度场中计算叶片的温度分布和应力分布，经简化后，在叶片的外围轮廓上施加定常温度，取自实验真实数据；在冷却孔上施加温度和对流换热系数，温度固定。步骤七、确定目标函数，进行有限元分析建立相应的优化表达式：式中，Y为形状设计变量；f(Y)为目标函数，对于本问题，分别选取最大温度、平均温度、高温区平均温度作为优化目标，检验不同优化目标对实际现象的影响；gj(Y)和ck分别为约束，此问题中代表边界条件和位移约束以及应力约束。该叶片材料的许用应力为350MPa，优化后的最大应力应低于需用应力值。载荷加载后则可以进行有限元分析，但最终的目的是要进行数据的导出，以便进行适应度函数的评判和迭代的指导。所需数据由优化目标决定，比如要控制最高温度最低或最大应力最小，需将最高温度或最大应力导出，并导入至判优标准中进行迭代。具体方法，通过APDL语言将需要的数据写入txt或dat文件中，由外部评价函数机制进行读取。步骤八、对变量进行扰动，记录本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域采用基于C3X叶片10个孔的基本拓扑结构，对设计域的基本定义条件如下表所示：表1基本设计域条件

【技术特征摘要】
1.一种高效的涡轮叶片内部冷却结构优化方法，包括如下步骤：步骤一、截取C3X叶片中截面，定义设计域采用基于C3X叶片10个孔的基本拓扑结构，对设计域的基本定义条件如下表所示：表1基本设计域条件为了满足叶片边界和冷却孔边界的最小距离，将叶片边界沿边界内法向方向趋近1mm，将中心区域按照原始10孔的位置排布进行最大限度的分割，分为10块，并且尽可能的拟合叶片边界形状；第一圆孔和第二圆孔的设计域采用圆形区域，用极坐标形式来表示位置；第三圆孔～第十圆孔周围边界近似矩形，故采用矩形区域，用笛卡尔直角坐标来表示；步骤二、获取设计变量整个设计域由2个圆形和8个矩形构成，对于前两个圆域，记录其圆心位置和直径；对于矩形域，选取每个矩形左下角的点作为特征点，记录位置坐标、长、宽以及倾斜角；一个圆在空间中唯一确定需要3个变量，x，y坐标和直径，故10个冷却孔共有30个设计变量；用ρi，θi，di分别表示第1、2个孔的极坐标直径和角度、孔径；用xi，yi，di分别表示第3～10个孔的横坐标，纵坐标和直径；孔的编号顺序和原始构型相同，i∈[1,2,3…10]；步骤三、坐标转换技术和建模采用坐标转换技术，将设计域由全局坐标经过坐标系的旋转平移用与坐标轴正交的矩形域来表示，对于第一圆孔和第二圆孔，将局部坐标建立在圆域中心，由于是极坐标表示，故只需进行一次坐标平移；而对于其余矩形域，将局部坐标系的x，y轴分别与矩形的两边平行，原点建立在矩形域的特征点，从局部到全局需要进行坐标的平移和旋转；式中，x，y表示全局坐标系下的坐标；xi，yi表示在第i个冷却孔局部坐标系下的坐标；xfi，yfi表示第i个冷却孔局部坐标系的特征点坐标，θfi表示矩阵底边与全局x坐标的夹角，用来定义旋转矩阵；T为平移矩阵；R为旋转矩阵；通过该式变换后，局部坐标点将被转换成全局坐标系下点，可以在局部坐标系下规定设计变量的定常取值范围，表示出全局坐标系下几何矩阵的数学表达形式；步骤四、有限元网格划分对分析所必须的某材料属性进行赋值和规定，材料定义好后，将建好模的平面进行有限元划分，选取PLANE13耦合单元，单元尺寸设为1；步骤五、对流导热系数推导首先，对问题做出3点假设：假设气体采用常值空气的热物理性质；假设流体流量不变；假设各冷却气体的温度不变；冷却通道的对流换热系数可以看作是努赛尔数的函数:式中，λ为流体传热系数，d为冷却通道的水力直径；对于努赛尔数，在管中强制对流近似完全发展阶段的经验公式是:Nu＝0.023Re0.8Pr0.4式中，Pr和Re分别代表普朗特数和雷诺数，普朗特数取常值0.7，雷诺数用下式表示:式中，ρ代表材料密度，v代表流体流速，d代表冷却孔水力直径，μ代表粘度:将数值普朗特数和π代入式中，将表达式简化为h＝0.0242·C(λ,M,μ)d-1.8式中，M代表冷却剂流量；从该表达式中容易看出，对流换热系数h最后简化为由四个量决定的函数，分别是传热系数λ，动力粘度μ，流量M和水力直径d，前两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋乙丹，谢公南，路中华，陈科全，陈红霞，李兴隆，陈翔，刘柳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51