【摘 要】
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提高涡轮进口燃气温度对于改善航空发动机性能,增大发动机推力,提高发动机的效率和发动机的推重比都具有极其重要的意义。然而,提高涡轮进口燃气温度同时会使高压涡轮部件热负荷大大增加,热应力也随之增加,对叶片产生巨大危害。因此为了保证涡轮叶片的正常运行并提高其使用寿命,先进的涡轮冷却技术具有重要的理论研究和工程应用价值。本论文对某型号高压涡轮叶片多物理场耦合下冷却性能进行分析,进一步进行冷却结构的优化设计
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“多物理场耦合下基于虚拟样机技术的复杂机械装备可靠性设计研究”
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提高涡轮进口燃气温度对于改善航空发动机性能,增大发动机推力,提高发动机的效率和发动机的推重比都具有极其重要的意义。然而,提高涡轮进口燃气温度同时会使高压涡轮部件热负荷大大增加,热应力也随之增加,对叶片产生巨大危害。因此为了保证涡轮叶片的正常运行并提高其使用寿命,先进的涡轮冷却技术具有重要的理论研究和工程应用价值。本论文对某型号高压涡轮叶片多物理场耦合下冷却性能进行分析,进一步进行冷却结构的优化设计,为提高高压涡轮叶片的冷却效果提供技术参考。论文首先对高压涡轮叶片在多物理场耦合下温度分布进行分析,其次系统研究高压涡轮叶片内冷通道的大小、位置、形状对冷却效果的影响。然后基于粒子群算法对高压涡轮叶片的冷却结构进行多学科设计优化,在优化设计过程中,建立基于BP（Back Propagation）神经网络的高压涡轮叶片多物理场耦合性能响应代理模型,在保证优化精度的前提下提高优化效率。最后对优化后的叶片进行验证。本文工作包括以下几点:（1）基于控制点坐标参数法实现高压涡轮叶片参数化建模,通过在平面叶栅上以及中弧线上布置控制点,将控制点的坐标用参数表示,建立参数和型线之间的关系实现平面叶栅的参数化建模。针对高压涡轮叶片内冷通道,根据其自身特点将其用多个参数表示最终通过对平面叶栅拉伸获得高压涡轮叶片的模型。（2）基于有限元理论对高压涡轮叶片进行流-固-热多物理场耦合仿真分析。运用顺序解耦方法,首先分析高压涡轮叶片的温度分布云图,其次进行结构场分析,计算涡轮叶片危险点处的最大应力、变形。（3）不同内冷通道结构冷却效果分析。通过大量的实验对比分析,探究内冷通道的数目、大小、形状对于高压涡轮叶片冷却效果的影响,并进一步分析不同冷却效果下高压涡轮叶片的最大应力、变形。（4）以最大应力和变形为约束条件,进行内冷通道结构优化设计。首先以最小化叶片平均温度为目标函数,考虑最大应力、变形约束,结合BP神经网络建立高压涡轮叶片内冷通道结构优化设计模型。其次基于粒子群算法实现高压涡轮叶片多学科设计优化,在设计域上寻求最优解。最后针对优化后的叶片进行多物理场耦合仿真分析,验证优化方法的合理性。
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