透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线的优化设计方法技术

本发明专利技术提供透平机械叶片根部和转子轮槽型线的优化设计方法，包括：1）对叶片根部和轮槽型线进行参数化：用样条曲线绘制出叶片根部初始型线，该初始型线关于y轴对称且每侧型线由n个控制点连接而成且包括m个齿，相互配合的轮槽和叶片根部具有相同的初始型线；及2）对叶片根部和轮槽型线进行优化：首先建立叶片根部和轮槽的有限元模型并进行首次计算以计算出它们的应力，然后设置优化变量、优化约束条件、优化目标，启动优化以获得优化的叶片根部和轮槽型线，其中优化变量为各控制点的x、y变量，优化约束条件为各控制点的x、y变量移动范围及每对齿颈部承载力所占百分比，优化目标为叶片根部和轮槽的最大应力最小化。这获得了全局最优模型。

【技术实现步骤摘要】
透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线的优化设计方法
本专利技术涉及一种透平机械，特别是涉及一种用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法。
技术介绍
透平机械是一种具有叶片的动力式流体机械。装有叶片的转子作高速旋转运动，流体流经叶片之间的通道时，叶片与流体之间产生力的相互作用，借以实现能量转化。因此，叶片在工作过程中承受很大的力，尤其是叶片根部。因此，需要对叶片根部的型线进行优化设计。在透平机械叶片设计过程中，选择叶片根部时通常是在建立的固定叶片根部、转子轮槽型线库中选择固定的型线。型线库中的型线多基于已有设计构型，使用直线段(长度)、圆弧(半径)、宽度等特征参数进行描述。一般是基于工程师的经验手动或编程实现特征参数的微调或比例模化改型设计，使叶片根部和转子轮槽处应力满足工程要求。这种基于已有构型的特征描述简单易用，有利于工程师根据工程经验设计叶片根部型线。但出于相邻两个特征的连续性要求，一般在进行新型线设计时，只能是针对特征参数的微小调整，所得到的新的叶片根部、转子轮槽型线也只是基于特征参数和初始构型条件下的改进构型，而非全局优化构型。这种叶片根部设计常常是工程师对所列出的设计方案进行优选，往往依赖于工程师的经验，且方案的优选过程费时费力，且很难得出理论上最优的叶片根部型线，从而无法在节约生产成本的同时达到材料的最佳性能。
技术实现思路
鉴于以上所述的现有技术中存在的缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法，该方法使得能够获得全局最优模型。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法，该方法包括如下步骤：1)对叶片根部和转子轮槽的型线进行参数化：用样条曲线绘制出叶片根部的初始型线，该初始型线由关于y轴对称的左边型线和右边型线以及分别连接左边型线和右边型线的相应端点的顶部型线和底部型线组成，右边型线由n个控制点(x1,y1)、(x2,y2)、…、(xn,yn)连接而成并且包括m个齿；在该步骤1)中，还对与叶片根部相配合的转子轮槽的初始型线进行参数化，转子轮槽的初始型线与叶片根部的初始型线相同；以及2)对叶片根部和转子轮槽的型线进行优化：首先基于在步骤1)中的叶片根部和转子轮槽的初始型线建立叶片根部和转子轮槽的有限元模型并进行首次计算以计算出叶片根部和转子轮槽的应力，然后设置优化变量、优化约束条件、优化目标，启动优化以获得优化的叶片根部和转子轮槽的型线，其中：优化变量为：a)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的x变量x1、x2、…、xn；和b)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的y变量y1、y2、…、yn；优化约束条件为：a)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的x变量移动范围ximin≤xi≤ximax(i＝1，2，…，n)；b)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的y变量移动范围yimin≤yi≤yimax(i＝1，2，…，n)；和c)叶片根部或转子轮槽的每对齿的颈部的承载力所占百分比Pm≤Pm-1≤…≤P1,∑Pi＝1；优化目标为：叶片根部的最大应力和转子轮槽的最大应力最小化，即，Min本专利技术使用样条曲线描述型线使得优化可以很容易从微调扩展至全局最优构型寻求(扩大优化变量变化范围)。全局最优构型寻求有利于发现创新构型。此外，本专利技术的优化方法不但给出了优化构型，而且还可给出优化目标对于各优化变量的依赖程度，有利于指导后期根据工程需要微调型线。并且，根据本专利技术的方法设计出的型线轮廓不存在尖角。附加地，该方法还可包括以下步骤：3)对所获得的优化的叶片根部或转子轮槽的型线进行修正：考虑在工程应用时叶片根部与转子轮槽之间存在间隙，将所获得的优化的叶片根部的与转子轮槽不接触的部分的型线的控制点的y变量增大对应于所述间隙的数值，或者将所获得的优化的转子轮槽的与叶片根部不接触的部分的型线的控制点的y变量减小对应于所述间隙的数值。这样可以获得工程上间隙匹配较好的一套叶片根部-转子轮槽型线。向上移动叶片根部与转子轮槽的非接触面上的控制点不仅减小了叶片根部的重量，降低了转子轮槽所受到的离心力，而且对叶片根部及转子轮槽的整体应力分布影响不大。优选地，在步骤2)中的优化目标还包括：叶片根部的最大应力的方差Dy和转子轮槽的最大应力的方差Dc最小化，即，Min(Dy,Dc)。具体地，通过将叶片根部和转子轮槽分为若干份，取各份最大应力间方差为优化目标，使各区域最大应力方差最小化，这可使应力均匀分布。优选地，左边型线和右边型线的齿数m≥2。更优选地，左边型线和右边型线的齿数m≤4。优选地，控制点的个数n≥10，以获得良好的优化效果。在一个优选实施例中，左边型线和右边型线的齿数m＝3，叶片根部或转子轮槽的每对齿的颈部的承载力所占百分比P1:P2:P3＝40％:30％:30％。根据本专利技术，在步骤1)中，叶片根部和转子轮槽的初始型线可以采用直线构型或型线库中已有的型线构型。当叶片根部和转子轮槽的初始型线采用型线库中已有的型线构型时，可以仅对叶片根部和转子轮槽的型线的各控制点的x变量进行优化，各控制点的y变量保持不变，即，y变量的移动限值选择为yimin＝yimax＝0。这可以降低优化工作量，并能够获得符合现有设计体系的优于工程已知构型的优化型线。优选地，在步骤2)中进行优化所使用的优化算法可以为基因多岛遗传算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法或人工神经网络算法。附图说明下面参照附图通过非限制性实施例对本专利技术进行详细描述，其中：图1示出叶片根部和转子轮槽的初始型线的直线型构型的示意图，其中，1指示叶片根部，2指示与该叶片根部配合的转子轮槽，C为型线的控制点；图2示出图1中的叶片根部和转子轮槽的可能性优化构型的示意图；图3示出采用从型线库中选取的已有构型的叶片根部的初始型线的示意图；图4示出优化后的叶片根部与转子轮槽的装配图，其中，方形框框出的为叶片根部与转子轮槽接触的面，椭圆框框出的为叶片根部与转子轮槽不接触的面；图5示出修正后的叶片根部与转子轮槽的装配图，实线表示叶片根部的修正前的构型，虚线表示叶片根部的修正后的构型；图6示出根据本专利技术的一个具体实施例的叶片根部和转子轮槽的每对齿的颈部所受承载力所占百分比；图7示出叶片根部与转子轮槽的应力考察区域分块；图8示出图3中的叶片根部的型线优化前后的视图，其中，实线表示叶片根部的初始型线，虚线表示优化后的型线；图9a示出初始构型的叶片根部与转子轮槽的应力分布图，其中，左侧为叶片根部的应力分布图，右侧为转子轮槽的应力分布图；以及图9b示出优化后的叶片根部与转子轮槽的应力分布图，其中，左侧为叶片根部的应力分布图，右侧为转子轮槽的应力分布图。具体实施方式下面参照附图描述根据本专利技术实施例的用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属
的技术人员能够更好地了解本专利技术。但是，对于所属
内的技术人员来说明显的是，本专利技术的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本专利技术并不限于所介绍的特定实施例。因此，下面的实施例和优点仅作说明之用，而不应被看作是对权利要求的限定，除非在权利要求中明确提出。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法，该方法包括如下步骤：1)对叶片根部和转子轮槽的型线进行参数化：用样条曲线绘制出叶片根部的初始型线，该初始型线由关于y轴对称的左边型线和右边型线以及分别连接左边型线和右边型线的相应端点的顶部型线和底部型线组成，右边型线由n个控制点(x

【技术特征摘要】
1.一种用于对透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线进行优化设计的方法，该方法包括如下步骤：1)对叶片根部和转子轮槽的型线进行参数化：用样条曲线绘制出叶片根部的初始型线，该初始型线由关于y轴对称的左边型线和右边型线以及分别连接左边型线和右边型线的相应端点的顶部型线和底部型线组成，右边型线由n个控制点(x1,y1)、(x2,y2)、…、(xn,yn)连接而成并且包括m个齿；在该步骤1)中，还对与叶片根部相配合的转子轮槽的初始型线进行参数化，转子轮槽的初始型线与叶片根部的初始型线相同；以及2)对叶片根部和转子轮槽的型线进行优化：首先基于在步骤1)中的叶片根部和转子轮槽的初始型线建立叶片根部和转子轮槽的有限元模型并进行首次计算以计算出叶片根部和转子轮槽的应力，然后设置优化变量、优化约束条件、优化目标，启动优化以获得优化的叶片根部和转子轮槽的型线，其中：优化变量为：a)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的x变量x1、x2、…、xn；和b)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的y变量y1、y2、…、yn；优化约束条件为：a)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的x变量移动范围ximin≤xi≤ximax(i＝1，2，…，n)；b)叶片根部或转子轮槽的型线的各控制点的y变量移动范围yimin≤yi≤yimax(i＝1，2，…，n)；和c)叶片根部或转子轮槽的每对齿的颈部的承载力所占百分比Pm≤Pm-1≤…≤P1,∑Pi＝1；优化目标为：叶片根部的最大应力和转子轮槽的最大应力最小化，即，Min2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：余德启，李明，舒伟林，程凯，杨建道，王恭义，吕凯，
申请(专利权)人：上海汽轮机厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31