基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法

本发明涉及航空发动机，尤其涉及一种基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法。

背景技术：

1、随着航空发动机的不断发展，为了提高推重比和整体性能，涡轮前温度在不断提高，然而，现有涡轮叶片材料熔点无法满足现有的温度要求。因此，为了保护涡轮叶片，避免出现烧蚀等现象，需要采用更为先进的新型冷却结构。目前，单纯利用内冷和外冷已经无法满足涡轮叶片冷却的要求，需要将内冷和外冷技术结合起来获得冷却效果更好的涡轮叶片，因此，同时结合了对流冷却、冲击式冷却和气膜冷却三种方式的层板冷却即双层壁冷却受到了国内外学者的广泛关注。

2、在这种背景下，扰流柱作为一种兼顾导热和对流的冷却结构，不仅能够有效增加冷气与叶片表面的接触，使有效换热面积增加1.5倍以上，还能够与现有的其他冷却技术相结合，进一步提升涡轮叶片的冷却效果。因此，亟需开发能够充分利用扰流柱结构潜力的设计方法。目前，大多数扰流柱结构设计仍以传统的圆柱形为主，虽然少数设计采用了菱形、椭圆形或跑道形等规则异形扰流柱，但传统的规则形状(如圆柱形、菱形等)在特定流动条件下未能实现最佳的换热效果，这限制了冷却效率的提升。

3、此外，在涡轮叶片在强度和冷却等多个学科上的设计方面，现有的设计流程主要依赖于传统的串联式方法，需要在传热设计和强度设计等多个学科之间反复迭代，以满足所有设计要求。同时，由于缺乏有效的多目标优化策略，设计人员难以同时满足多学科的复杂扰流柱结构设计要求。

4、因此，基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，该结构的优化方法主要针对双层壁结构中等截面扰流柱冷却技术，充分挖掘扰流柱结构不同性能的潜能，以最大设计自由度完成异形扰流柱设计优化，实现不同设计目标下的最优异形扰流柱结构。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，该涡轮叶片冷却结构具有多个异形且等截面的扰流柱；

4、所述异形且等截面的扰流柱的设计优化方法主要包括以下步骤：

5、s1、扰流柱高自由度参数设计模块，所述扰流柱高自由度参数设计模块用以确定最小设计单元结构中扰流柱设计参数；

6、s2、叶片设计目标数值计算模块，所述叶片设计目标数值计算模块用以获得对应几何结构参数下的设计目标响应值；

7、s3、最小单元结构扰流柱设计代理模型及优化模块。

8、进一步的，异形且等截面的扰流柱的设计优化方法步骤s1具体为：

9、s101、通过分析涡轮叶片冷却结构的旋转对称性提取出最小设计单元结构；

10、s102、将最小设计单元分解为扰流柱结构设计参数和位置设计参数，并将等截面扰流柱三维结构参数化为二维平面形状设计参数和高度参数。

11、进一步的，所述步骤s102中，二维平面形状通过均匀选择适当数量的限制点来定义，并通过贝塞尔曲线拟合以封闭图形；

12、将从限制点到曲线中心半径作为设计参数变量。

13、进一步的，所述扰流柱高自由度参数设计模块通过三维软件设计。

14、进一步的，异形且等截面的扰流柱的设计优化方法步骤s2具体为根据具体的设计目标，并利用软件进行模拟计算。

15、进一步的，异形且等截面的扰流柱的设计优化方法步骤s3具体为：

16、s301、在扰流柱高自由度参数设计模块中确定的设计参数范围内选择多组参数组合，构建相应的计算模型，该多组参数组合作为代理模型的输入变量；

17、s302、通过叶片设计目标数值计算模块进行数值计算，获得对应的目标响应值，作为代理模型的输出。

18、进一步的，所述步骤s3的代理模型采用数学模型或神经网络模型实现；

19、通过构建优化目标函数，并采用优化算法进行全局寻优找到指定目标下的最优异形扰流柱结构。

20、在上述技术方案中，本发明提供的一种基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，具有以下有益效果：

21、本发明的结构优化方法主要针对双层壁结构中等截面扰流柱冷却技术，充分挖掘扰流柱结构不同性能的潜能，以最大设计自由度完成异形扰流柱设计优化，实现不同设计目标下的最优异形扰流柱结构。

技术特征：

1.基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，该涡轮叶片冷却结构具有多个异形且等截面的扰流柱(2)；

2.根据权利要求1所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，异形且等截面的扰流柱(2)的设计优化方法步骤s1具体为：

3.根据权利要求2所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s102中，二维平面形状通过均匀选择适当数量的限制点来定义，并通过贝塞尔曲线拟合以封闭图形；

4.根据权利要求2或3所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，所述扰流柱高自由度参数设计模块通过三维软件设计。

5.根据权利要求1所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，异形且等截面的扰流柱(2)的设计优化方法步骤s2具体为根据具体的设计目标，并利用软件进行模拟计算。

6.根据权利要求1所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，异形且等截面的扰流柱(2)的设计优化方法步骤s3具体为：

7.根据权利要求6所述的基于异形等截面扰流柱的涡轮叶片冷却结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3的代理模型采用数学模型或神经网络模型实现；

技术总结
本发明公开了一种基于异形等截面扰流柱的双层壁涡轮叶片冷却结构的高自由度优化设计方法，主要包括以下步骤：S1、扰流柱高自由度参数设计模块，扰流柱高自由度参数设计模块用以确定最小设计单元结构中扰流柱设计参数；S2、叶片设计目标数值计算模块，叶片设计目标数值计算模块用以获得对应几何结构参数下的设计目标响应值；S3、最小单元结构扰流柱设计代理模型及优化模块。本发明的涡轮叶片冷却结构，该结构的优化方法主要针对双层壁结构中等截面扰流柱冷却技术，充分挖掘扰流柱结构不同性能的潜能，以最大设计自由度完成异形扰流柱设计优化，实现不同设计目标下的最优异形扰流柱结构。

技术研发人员：朱剑琴,任书锐,程泽源,童自翔,邱璐
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5