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A cooled turbine blade design and optimization method considering the cooling structure influence

空气动力学 多学科设计优化 涡轮叶片 涡轮机 机械工程 传热 计算机科学 航空航天工程 工程类 多学科方法 机械 物理 社会科学 社会学
作者
Shouzuo Li,Songtao Wang,Lei Luo
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0179006
摘要

This study introduces a multidisciplinary design methodology tailored for enhancing the performance of cooled turbine blades by amalgamating thermal and aerodynamic calculation modules. The approach is unique in terms of its integration of a multi-objective optimization platform, aimed at refining aerodynamic performance and gauging the heat transfer capabilities during the preliminary aerodynamic design phase. To accomplish this objective, a one-dimensional pipe-network calculation tool was incorporated into the thermal module to quickly evaluate the heat transfer performance of the blades under different conditions. This tool also provides more realistic film hole inlet boundary conditions essential for three-dimensional aerodynamic calculations. Implementing this platform in optimizing a high-pressure turbine blade revealed a Pareto-optimal front, comprising −η1 and η2 (representing optimization objectives for aerodynamic and heat transfer performance, respectively), showcasing a constrained relationship. Upon scrutinizing three optimization cases against the prototype, optimization case 1 demonstrates the most significant enhancements in aerodynamic performance, showing a 0.2015% improvement in aerodynamic efficiency relative to the prototype. Conversely, optimization case 3 displays a comparatively modest augmentation in aerodynamic performance but excels notably in heat transfer performance, showcasing a 7.61% reduction in the maximum temperature of the blade surface compared to the prototype. Through adept optimization strategies and meticulous variable selection, we maintained a relatively stable mainstream mass flow across the optimization cases (less than 0.05% variation). These findings underscore the efficacy of our multidisciplinary design approach for cooled turbine blades, promising efficiency improvements in current design practices and potential reductions in project duration.

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