面向气膜冷效提升的涡轮叶栅全端壁非轴对称造型设计优化

摘要

为探索非轴对称端壁设计对端壁封严冷气和气膜孔气膜冷效的提升机制，提出一种基于周期性非均匀有理B样条曲面的全端壁非轴对称造型方法，解决了传统方法对叶栅前缘上游区域的几何约束限制。建立包含端壁槽缝与离散气膜孔的涡轮叶栅数值仿真模型，并通过试验数据验证仿真模型的可靠性。以端壁平均气膜冷却效率为目标，采用基于Kriging代理模型的全局优化算法开展端壁优化设计。仿真结果表明：相比原始轴对称端壁，3个吹风比下的非轴对称端壁平均气膜冷却效率分别提升了9.36%、10.68%和14.76%,叶栅出口总压损失系数基本不变；非轴对称端壁造型不仅改变了端区的压力分布，大幅降低了叶片前缘附近的静压及叶栅通道进口位置的横向压力梯度，使得冷却射流能够对叶片前缘附近及通道进口形成更宽的气膜覆盖范围，还削弱了端区横向二次流，抑制了其对冷却射流的卷吸作用，使得靠近叶片压力面侧端壁上的气膜覆盖得到强化。研究结果可为现代高气热负荷涡轮端壁的冷却防护提供理论依据和技术参考。

关键词

非轴对称端壁 / 设计优化 / 离散气膜孔 / 气膜冷却 / 吹风比

基金资助

国家科技重大专项资助项目（J2019-Ⅱ-0008-0028）