提高涡轮前燃气温度是改善燃气轮机性能的有效措施之一,然而这对高压涡轮的可靠性提出了更严峻的要求。为了降低涡轮前过高的温度对涡轮叶片造成的热冲击,若保持原有的冷却结构不变,则必须增加所需的冷气量而致使整体效率降低;而若保持原有的冷气量不变,通过优化冷却结构可以在提高燃气温度的同时提高冷却效率,进而提高整机效率。传统的涡轮冷却结构设计是通过人工对有限设计变量的简单离散组合,需要大量的人力成本且设计周期长。随着优化理念的深入,使得涡轮复杂冷却结构的设计工作的自动寻优成为可能,从而降低人力资源消耗并大幅度地缩短设计周期。基于以上工程背景,本文搭建了冷却涡轮优化平台。该平台主要包括涡轮冷却结构的参数化建模、计算域网格的自动划分、CFD数值计算以及优化策略的选取等模块。在原有冷气量不变的情况下应用搭建的优化平台对NASA的C3X多排气膜孔进行了绝热优化设计研究。采用分步优化的方法,首先优化前缘5排气膜孔的布局,在前缘气膜孔排最优的基础上进一步优化压力面和吸力面气膜孔排的布局。相比于原模型,优化后前缘区域的平均冷却效率提高了 8.4%,前缘区域平均温度下降了 19.2 K;压力面平均冷却效率提升了 1.1%,而吸力面平均冷却效率提升了 5.5%。通过将绝热优化结果应用到耦合计算中可以发现,相比于原模型耦合计算结果,优化后叶片表面平均温度下降3.2 K;同时优化模型在其前缘区域和吸力面区域的整体换热系数要小于原参照模型。为了进一步实现该优化平台的工程应用价值,将该优化平台应用于某改型船用燃气轮机高压涡轮静叶多排气膜孔的优化设计中。为了减少优化时间提高优化效率,通过三阶响应面模型对优化设计变量和目标函数进行拟合,同时采用了单目标优化和多目标优化的策略。计算结果表明,相比于原模型,多目标优化后平均冷却效果增幅为11.4%,叶片表面平均温度降低了 74.6K。利用多目标优化中Pareto解集的形式体现优化结果,设计人员可根据实际的设计需求从解集中选择不同的方案。