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内容简介

《燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化》围绕燃气轮机涡轮冷却叶片设计流程、涉及学科和多场耦合服役特点，系统总结了涡轮冷却叶片设计及优化方面取得的理论和应用成果。内容涵盖涡轮叶片冷却技术发展、冷却方案设计、结构设计、多场耦合分析以及多学科优化等，旨在为工程实践提供先进的设计理论、方法以及应用技术参考。

目录

目录
前言
第1章 燃气轮机涡轮叶片冷却技术概述 1
1.1 燃气轮机分类及结构组成 1
1.2 涡轮叶片的冷却需求 3
1.2.1 涡轮进口温度的发展趋势 4
1.2.2 高温材料的发展 6
1.2.3 涡轮进口温度与材料耐受温度对比 9
1.3 涡轮叶片冷却技术 10
1.3.1 简单对流换热冷却技术 13
1.3.2 肋化通道强化对流换热技术 14
1.3.3 扰流柱强化对流换热技术 15
1.3.4 射流冲击冷却技术 16
1.3.5 气膜冷却技术 16
1.3.6 组合及新型冷却技术 17
1.4 冷却技术在涡轮叶片上的应用 18
1.4.1 前缘 19
1.4.2 叶中 19
1.4.3 尾缘 21
1.4.4 叶根 22
1.4.5 叶顶 23
1.5 本章小结 24
参考文献 24
第2章 肋化通道、扰流柱、射流冲击冷却技术的研究现状 26
2.1 肋化通道（粗糙肋）强化对流换热技术的研究现状 26
2.1.1 肋片几何形状 26
2.1.2 肋片几何参数的影响 28
2.1.3 肋片排列方式的影响 29
2.1.4 雷诺数、转速等的影响 30
2.2 扰流柱强化对流换热技术的研究现状 31
2.2.1 扰流柱截面形状 32
2.2.2 扰流柱几何参数的影响 33
2.2.3 扰流柱排布方式的影响 34
2.2.4 转速的影响 35
2.2.5 圆形、椭圆形、水滴形扰流柱矩形通道的对流换热特性分析 35
2.2.6 间距、迎角、长短轴比等对椭圆形扰流柱矩形通道对流换热特性的影响 39
2.2.7 扰流柱梯形通道的对流换热特性分析 42
2.3 射流冲击冷却技术研究现状 45
2.3.1 射流板与靶板间距的影响 47
2.3.2 横向流的影响 47
2.3.3 射流孔结构尺寸的影响 47
2.3.4 射流孔排布方式的影响 48
2.4 本章小结 48
参考文献 49
第3章 气膜、层板、叶顶冷却技术的研究现状 53
3.1 气膜冷却技术的研究现状 53
3.1.1 气膜孔孔型的研究现状 54
3.1.2 平板气膜冷却的研究现状 57
3.1.3 前缘气膜冷却的研究现状 59
3.1.4 叶身气膜冷却的研究现状 62
3.1.5 不同复合角下前缘气膜冷却模型的对流换热特性研究 62
3.2 层板冷却技术的研究现状 67
3.2.1 层板几何参数的研究现状 67
3.2.2 排布方式的研究现状 69
3.3 叶顶冷却技术的研究现状 71
3.3.1 叶顶防泄漏结构形式 72
3.3.2 叶顶气膜冷却 74
3.3.3 叶尖间隙的影响 76
3.3.4 转速和雷诺数的影响 77
3.4 本章小结 77
参考文献 77
第4章 基于管网计算的涡轮叶片冷却方案设计 81
4.1 管网计算方法 82
4.1.1 管网节流单元及基本假设 82
4.1.2 管网计算控制方程 83
4.1.3 管网计算的求解 85
4.1.4 不同冷却结构流阻和换热计算 86
4.2 管网计算方法的验证 88
4.2.1 Y模型的对比分析验证 88
4.2.2 涡轮冷却叶片的分析验证 91
4.3 基于管网计算的涡轮冷却叶片方案设计方法 94
4.3.1 叶片冷气用量预估 94
4.3.2 叶身冷气流道设计 94
4.3.3 冷却特征设计 96
4.3.4 设计方案的验证 96
4.3.5 基于管网模型的涡轮叶片冷却方案优化设计 97
4.4 本章小结 98
参考文献 98
第5章 涡轮冷却叶片参数化设计 99
5.1 涡轮冷却叶片的参数化设计方法 99
5.2 涡轮冷却叶片叶型设计 103
5.2.1 基于曲率优化的14参数平面叶栅设计方法 103
5.2.2 叶身积叠成型 110
5.3 涡轮叶片冷却结构设计 111
5.3.1 壁厚设计 111
5.3.2 内腔型面设计 113
5.3.3 冷气通道（通道肋）设计 115
5.3.4 局部冷却特征设计 116
5.3.5 尾缘出气结构设计 117
5.4 涡轮冷却叶片榫头/缘板/伸根段设计 117
5.4.1 榫头设计 117
5.4.2 缘板设计 125
5.4.3 伸根段设计 126
5.5 涡轮冷却叶片叶顶结构设计 126
5.6 涡轮冷却叶片实体生成 127
5.7 本章小结 128
参考文献 129
第6章 多场耦合服役环境下涡轮冷却叶片性能分析 130
6.1 涡轮冷却叶片流-热-固耦合分析 130
6.1.1 涡轮冷却叶片流-热耦合分析 130
6.1.2 温度、气压耦合信息传递 134
6.1.3 结构强度分析 135
6.2 涡轮冷却叶片寿命分析 138
6.2.1 涡轮冷却叶片失效形式 139
6.2.2 涡轮冷却叶片寿命分析流程 140
6.2.3 涡轮冷却叶片寿命预测方法 141
6.2.4 涡轮冷却叶片寿命预测 146
6.3 本章小结 150
参考文献 151
第7章 涡轮冷却叶片多学科设计优化 152
7.1 涡轮冷却叶片多学科设计优化特点及流程 152
7.1.1 涡轮冷却叶片多学科设计优化问题的分析 152
7.1.2 涡轮冷却叶片多学科设计要求和设计准则 153
7.1.3 涡轮冷却叶片多学科设计优化流程 154
7.2 涡轮冷却叶片优化数学模型 158
7.2.1 设计变量 158
7.2.2 优化目标 159
7.2.3 约束条件 159
7.2.4 优化数学模型 159
7.3 DOE分析 160
7.4 近似代理模型 161
7.5 优化设计结果及分析 164
7.6 本章小结 169
参考文献 170
第8章 基于可靠性的涡轮冷却叶片多学科设计优化 171
8.1 涡轮冷却叶片多学科可靠性设计优化流程 171
8.2 基于可靠性的涡轮冷却叶片多学科设计优化数学模型 173
8.2.1 设计变量 173
8.2.2 随机变量 173
8.2.3 优化目标 174
8.2.4 约束条件 174
8.2.5 优化数学模型 174
8.3 涡轮冷却叶片随机因素统计规律 175
8.3.1 壁厚、通道肋厚度分散性数据统计 175
8.3.2 材料性能分散性数据统计 176
8.3.3 转速分散性数据统计 177
8.4 服役环境下涡轮冷却叶片可靠性分析 178
8.5 基于可靠性的涡轮冷却叶片多学科设计优化及分析 180
8.6 本章小结 181
参考文献 181
第9章 网格参数化方法在涡轮冷却叶片中的应用 183
9.1 网格变形方法基本理论及其应用 184
9.1.1 自由网格变形的基本理论及其应用 184
9.1.2 边界网格变形方法及其应用 187
9.2 涡轮冷却叶片分析网格的参数化 192
9.2.1 三维流场分析网格的参数化 192
9.2.2 涡轮实心叶片结构分析网格的参数化 194
9.2.3 涡轮叶片流场分析网格和结构分析网格的协调变形 195
9.2.4 涡轮叶片冷却结构分析网格的参数化 196
9.3 变形后的网格光顺 197
9.4 基于网格参数化方法的涡轮冷却叶片多学科设计优化 198
9.5 本章小结 200
参考文献 200

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