ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Multi-dimensional and efficient optimization of cooling layout considering combination of oval hole inclination angles
Received date: 2024-11-29
Revised date: 2024-12-18
Accepted date: 2025-03-10
Online published: 2025-03-19
Supported by
National Science and Technology Major Project （2019-Ⅱ-0008-0028）
To deeply explore the multivariate design space considering the combination of oval hole inclination angles， and further enhance the aero-thermal performance of the squealer tip， the steady-state RANS numerical simulation method was employed to optimize the cooling layout on a squealer tip. The variation of the flow field and the resulting performance improvement were analyzed. More importantly， to accelerate the rate of engineering optimization， a high fast-converging optimization algorithm suitable for high-dimensional engineering problems was developed based on the framework of a classical evolutionary algorithm and advanced optimization operators. Following classical function testing， a mixed optimization of single objective and bi-objective was conducted. The results demonstrated that in the optimal structure， the spacing between cooling holes is reduced， the wall attachment performance is improved with elevated positive axial inclination angles， and the coupling relationship between film coverage and cooling hole orientation is better balanced. The film cooling effectiveness is increased by 79.9%， and the enhancement of stage efficiency reaches 0.054% in comparison to the benchmark structure.
Key words： turbine; squealer tip; film cooling; oval hole; multi-objective optimization
Jiajie GUO , Zhi TAO , Liming SONG , Jun LI . Multi-dimensional and efficient optimization of cooling layout considering combination of oval hole inclination angles[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2025 , 46(16) : 131584 -131584 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.31584
| [1] | BOOTH T C. Tip clearance effects in axial turbo-machines （lecture series）： Importance of tip clearance flows in turbine design［R］. Rhode-Saint-Genèse， Belgium： Von Karman Institute for Fluid Dynamics， 1985： 1-34. |
| [2] | DENTON J D. The 1993 IGTI scholar lecture： Loss mechanisms in turbomachines?［J］. Journal of Turbomachinery， 1993， 115（4）： 621-656. |
| [3] | AMERI A A， STEINTHORSSON E. Prediction of unshrouded rotor blade tip heat transfer［M］. New York： ASME， 1995. |
| [4] | KWAK J S， HAN J C. Heat-transfer coefficients of a turbine blade-tip and near-tip regions［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2003， 17（3）：297-303. |
| [5] | 杜昆， 李军. 涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究［J］. 推进技术， 2017， 38（3）： 551-558. |
| DU K， LI J. Numerical investigations on unsteady leakage flow and heat transfer characteristics of turbine blade with squealer tip［J］. Journal of Propulsion Technology， 2017， 38（3）： 551-558 （in Chinese）. | |
| [6] | YE M L， HE K， YAN X. Influence of wear damages on aerodynamic and heat transfer performance in squealer tip gap?［J］. Applied Thermal Engineering， 2019， 159： 113976. |
| [7] | 黄明， 张垲垣， 李志刚， 等. 涡轮动叶气膜冷却结构的凹槽状叶顶气热性能不确定性量化［J］. 航空学报， 2024， 45（19）： 629979. |
| HUANG M， ZHANG K Y， LI Z G， et al. Uncertainty quantification of aerothermal performance of squealer tip with film cooling structure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（19）： 629979 （in Chinese）. | |
| [8] | 李会， 黄通， 苏欣荣， 等. 基于DDES模拟的叶顶泄漏流与尾迹非定常干涉机理［J］. 航空学报， 2023， 44（14）： 628325. |
| LI H， HUANG T， SU X R， et al. DDES analysis of unsteady characteristics of interaction between tip leakage flow and wake［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（14）： 628325 （in Chinese）. | |
| [9] | AHN J， MHETRAS S， HAN J C. Film-cooling effectiveness on a gas turbine blade tip using pressure-sensitive paint［J］. Journal of Heat Transfer， 2005， 127（5）： 521-530. |
| [10] | GAO J， ZHENG Q， ZHANG Z Y， et al. Aero-thermal performance improvements of unshrouded turbines through management of tip leakage and injection flows［J］. Energy， 2014， 69： 648-660. |
| [11] | LI C X， XIANG J C， SONG L M， et al. An aerothermal analysis of the effects of tip gap height and cavity depth of a gas turbine blade［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2020， 158： 106521. |
| [12] | 黄琰， 晏鑫， 何坤， 等. 气膜孔分布对凹槽叶顶传热和冷却性能的影响［J］. 西安交通大学学报， 2016， 50（5）： 101-107. |
| HUANG Y， YAN X， HE K， et al. Effect of cooling-hole distributions on heat transfer and cooling effectiveness on turbine blade tip［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2016， 50（5）： 101-107 （in Chinese）. | |
| [13] | ZHOU Z H， CHEN S W， LI W H， et al. Thermal performance of blade tip and casing coolant injection on a turbine blade with cavity and winglet-cavity tip［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 130： 585-602. |
| [14] | 王宇凡， 张伟昊， 邹正平， 等. 凹槽叶顶冷气射流对涡轮叶尖泄漏流动的影响［J］. 工程热物理学报， 2021， 42（3）： 619-625. |
| WANG Y F， ZHANG W H， ZOU Z P， et al. Effects of cooling jet in the cavity on tip-leakage flow in the turbine［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2021， 42（3）： 619-625 （in Chinese）. | |
| [15] | 于金杏， 叶明亮， 何坤， 等. 压力侧冷却流对凹槽叶顶气膜冷却与传热性能的影响［J］. 西安交通大学学报， 2021， 56（3）： 160-172. |
| YU J X， YE M L， HE K， et al. Effect of pressure-side cooling flow on film cooling and heat transfer performance at squealer tip［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2021， 56（3）： 160-172 （in Chinese）. | |
| [16] | 吴琛琦， 何坤， 晏鑫. 射流角对带小翼凹槽叶顶冷却传热性能的影响［J］. 西安交通大学学报， 2022， 56（7）： 27-37. |
| WU C Q， HE K， YAN X. Effect of ejection angle on film cooling and heat transfer of winglet-squealer tip［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2022， 56（7）： 27-37 （in Chinese）. | |
| [17] | 贾哲， 李冯， 张韦馨， 等. 平面叶栅多凹槽叶顶倾斜圆柱孔气膜冷却与气动特性研究［J］. 西安交通大学学报， 2023， 57（9）： 10-21. |
| JIA Z， LI F， ZHANG W X， et al. Investigation on film cooling and aerodynamic performance of the multi-cavity tip with inclined film holes in a linear turbine cascade［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（9）： 10-21 （in Chinese）. | |
| [18] | MARAL H， ?ENEL C B， DEVECI K， et al. A genetic algorithm based multi-objective optimization of squealer tip geometry in axial flow turbines： A constant tip gap approach?［J］. Journal of Fluids Engineering， 2020， 142（2）： 021402. |
| [19] | 李琛玺， 郭振东， 宋立明， 等. 凹槽状叶顶气膜孔优化设计与知识挖掘［J］. 推进技术， 2019， 40（2）： 276-284. |
| LI C X， GUO Z D， SONG L M， et al. Film-cooling holes design optimization and knowledge mining of a squealer tip?［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（2）： 276-284 （in Chinese）. | |
| [20] | KANG Y S， RHEE D H， KIM C T， et al. Aerodynamic optimization of axial turbine tip cavity with approximation model［C］∥ASME Turbine Blade Tip Symposium. New York： ASME， 2013. |
| [21] | 金家辉， 宋彦萍， 俞建阳， 等. 基于样条曲面及代理模型的涡轮叶顶修型研究［J］. 工程热物理学报， 2019， 40（1）： 49-54. |
| JIN J H， SONG Y P， YU J Y， et al. Modification for turbine blade tips on B-spline surface and Kriging model［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2019， 40（1）： 49-54 （in Chinese）. | |
| [22] | DE MAESSCHALCK C， ANDREOLI V， PANIAGUA G， et al. Aerothermal optimization of turbine squealer tip geometries with arbitrary cooling injection［J］. Journal of Turbomachinery， 2021， 143（11）： 111010. |
| [23] | HALILA E E， LENAHAN D T， THOMAS T T. Energy efficient engine high-pressure turbine test hardware detailed design report［R］. Washington， D.C.： NASA， 1982. |
| [24] | KWAK J S， AHN J， HAN J， et al. Heat transfer coefficients on the squealer tip and near-tip regions of a gas turbine blade with single or double squealer［J］. Journal of Turbomachinery， 2003， 125（4）： 778-787. |
| [25] | ZHAO W G， WANG L Y， MIRJALILI S. Artificial hummingbird algorithm： A new bio-inspired optimizer with its engineering applications［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2022， 388： 114194. |
| [26] | DEB K， PRATAP A， AGARWAL S， et al. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm： NSGA-Ⅱ?［J］. IEEE transactions on evolutionary computation， 2002， 6（2）： 182-197. |
| [27] | GUO Z D， ZHANG Z J， CHEN Y， et al. An efficient surrogate-assisted differential evolution algorithm for turbomachinery cascades optimization with more than 100 variables［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 142： 108675. |
| [28] | GUO J J， SONG L M， TAO Z， et al. Cooling layout optimization for a turbine blade squealer tip with the application of oval holes［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2024， 159： 108323. |
| [29] | LIU C Q， WANG Y Q， YANG Y， et al. New omega vortex identification method［J］. Science China Physics， Mechanics & Astronomy， 2016， 59（8）： 684711. |
| [30] | 郭嘉杰， 陶志， 宋立明， 等. 凹槽叶顶椭圆与圆形冷却孔轴向偏转角对气热特性的影响研究［J］. 推进技术， 2023， 44（11）： 80-91. |
| GUO J J， TAO Z， SONG L M， et al. Effects of axial inclination angle of oval and round cooling holes on aero-thermal performance of a squealer tip［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（11）： 80-91 （in Chinese）. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA