بهينه‌سازي چند هدفه كانال‌هاي خنككاري داخلي در پره توربين محوري

Multi-objective optimization of internal cooling passages for a turbine blade

در اين مقاله، بهينه سازي شكل و موقعيت كانال هاي خنك كاري داخلي يك پره دو بعدي توربين محوري براي رسيدن به يك توزيع دماي يكنواخت به ازاي كمترين دبي هواي خنك كاري مورد بررسي قرار گرفته است بطوري كه دماي بيشينه در پره كمتر از دماي مجاز است. چهار كانال خنك كاري بر روي مقطع پره در نظر گرفته شده است كه شكل مقطع كانال ها، با استفاده از يك روش جديد مبتني بر منحني هاي بزيير توليد مي شود. منحني بزيير كه توسط نقاط كنترلي رسم مي شود، انعطاف بسيار بالايي داشته و مي توان با آن اشكال متنوعي را توليد كرد. انتقال حرارت بين جريان گازهاي گرم و پره توربين به صورت كوپل در نظر گرفته ‌شده و دما در پره توربين محاسبه مي شود. به دليل تحليل دو بعدي جريان، مقدار ضريب انتقال حرارت جابجايي درون كانال هاي خنك كاري، با توجه به مقادير ضريب اصطكاك و افت فشار كانال ها، به كمك روابط نيمه تجربي محاسبه شده است. در مقاله حاضر نرم افزارهاي تجاري فلوينت و گمبيت با يك كد بهينه سازي چند هدفه كه از روش تكامل تفاضلي استفاده مي كند كوپل شده است. هندسه توربين مورد استفاده، پره سي تري اكس (C3X) است كه در روند بهينه-سازي، سطح آن ثابت در نظر گرفته مي شود. شكل‌هاي توليد شده در روند بهينه‌سازي نشان مي‌دهد كه روش حاضر شكلهايي واقعي و صاف توليد مي كند. نتيجه بهينه‌سازي چند هدفه در انتها به صورت نمودار پارتو ارايه مي شود.

In the present paper, the shape and position of internal cooling passages within an axial turbine blade have been optimized to achieve a uniform temperature distribution with the minimum cooling air flow while the maximum temperature is below the allowable value. Four cooling passages are made within the blade. The cross section shape of each passage is parameterized using a new method based on an 8-order Bezier curve. This curve, which is represented in terms of Bezier control points, has much flexibility and can produce a large variety of shapes. The shape of the blade surface profile remains unchanged during the optimization process. The numerical simulation has been carried out using conjugate heat transfer method to predict the temperature distribution in both solid and fluid regions and a semi-empirical relation is employed to evaluate the heat transfer coefficient for internal cooling passages. The multi-objective optimization is performed for NASA C3X blade through the Fluent/Gambit packages coupled with a differential evolution (DE) optimization algorithm. The cooling passages shape generated during the optimization process shows that the present method of shape parameterization produces fairly smooth and realistic geometries. The optimization outcomes are given as a Pareto front.