本發(fā)明涉及一種透平機(jī)械,特別是涉及一種用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。
背景技術(shù):
透平機(jī)械是一種具有葉片的動力式流體機(jī)械。裝有葉片的轉(zhuǎn)子作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,流體流經(jīng)葉片之間的通道時(shí),葉片與流體之間產(chǎn)生力的相互作用,借以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。因此,葉片在工作過程中承受很大的力,尤其是葉片根部。因此,需要對葉片根部的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在透平機(jī)械葉片設(shè)計(jì)過程中,選擇葉片根部時(shí)通常是在建立的固定葉片根部、轉(zhuǎn)子輪槽型線庫中選擇固定的型線。型線庫中的型線多基于已有設(shè)計(jì)構(gòu)型,使用直線段(長度)、圓弧(半徑)、寬度等特征參數(shù)進(jìn)行描述。一般是基于工程師的經(jīng)驗(yàn)手動或編程實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)的微調(diào)或比例?;男驮O(shè)計(jì),使葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽處應(yīng)力滿足工程要求。這種基于已有構(gòu)型的特征描述簡單易用,有利于工程師根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)葉片根部型線。但出于相鄰兩個(gè)特征的連續(xù)性要求,一般在進(jìn)行新型線設(shè)計(jì)時(shí),只能是針對特征參數(shù)的微小調(diào)整,所得到的新的葉片根部、轉(zhuǎn)子輪槽型線也只是基于特征參數(shù)和初始構(gòu)型條件下的改進(jìn)構(gòu)型,而非全局優(yōu)化構(gòu)型。這種葉片根部設(shè)計(jì)常常是工程師對所列出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選,往往依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn),且方案的優(yōu)選過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且很難得出理論上最優(yōu)的葉片根部型線,從而無法在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)達(dá)到材料的最佳性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
鑒于以上所述的現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是,提供一種用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,該方法使得能夠獲得全局最優(yōu)模型。
為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,該方法包括如下步驟:
1)對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行參數(shù)化:用樣條曲線繪制出葉片根部的初始型線,該初始型線由關(guān)于y軸對稱的左邊型線和右邊型線以及分別連接左邊型線和右邊型線的相應(yīng)端點(diǎn)的頂部型線和底部型線組成,右邊型線由n個(gè)控制點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)、…、(xn,yn)連接而成并且包括m個(gè)齒;在該步驟1)中,還對與葉片根部相配合的轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線進(jìn) 行參數(shù)化,轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線與葉片根部的初始型線相同;以及
2)對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化:首先基于在步驟1)中的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線建立葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的有限元模型并進(jìn)行首次計(jì)算以計(jì)算出葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力,然后設(shè)置優(yōu)化變量、優(yōu)化約束條件、優(yōu)化目標(biāo),啟動優(yōu)化以獲得優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線,其中:
優(yōu)化變量為:a)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量x1、x2、…、xn;和b)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的y變量y1、y2、…、yn;
優(yōu)化約束條件為:a)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量移動范圍ximin≤xi≤ximax(i=1,2,…,n);b)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的y變量移動范圍yimin≤yi≤yimax(i=1,2,…,n);和c)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的每對齒的頸部的承載力所占百分比pm≤pm-1≤…≤p1,∑pi=1;
優(yōu)化目標(biāo)為:葉片根部的最大應(yīng)力
本發(fā)明使用樣條曲線描述型線使得優(yōu)化可以很容易從微調(diào)擴(kuò)展至全局最優(yōu)構(gòu)型尋求(擴(kuò)大優(yōu)化變量變化范圍)。全局最優(yōu)構(gòu)型尋求有利于發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新構(gòu)型。此外,本發(fā)明的優(yōu)化方法不但給出了優(yōu)化構(gòu)型,而且還可給出優(yōu)化目標(biāo)對于各優(yōu)化變量的依賴程度,有利于指導(dǎo)后期根據(jù)工程需要微調(diào)型線。并且,根據(jù)本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)出的型線輪廓不存在尖角。
附加地,該方法還可包括以下步驟:
3)對所獲得的優(yōu)化的葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行修正:考慮在工程應(yīng)用時(shí)葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽之間存在間隙,將所獲得的優(yōu)化的葉片根部的與轉(zhuǎn)子輪槽不接觸的部分的型線的控制點(diǎn)的y變量增大對應(yīng)于所述間隙的數(shù)值,或者將所獲得的優(yōu)化的轉(zhuǎn)子輪槽的與葉片根部不接觸的部分的型線的控制點(diǎn)的y變量減小對應(yīng)于所述間隙的數(shù)值。這樣可以獲得工程上間隙匹配較好的一套葉片根部-轉(zhuǎn)子輪槽型線。向上移動葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的非接觸面上的控制點(diǎn)不僅減小了葉片根部的重量,降低了轉(zhuǎn)子輪槽所受到的離心力,而且對葉片根部及轉(zhuǎn)子輪槽的整體應(yīng)力分布影響不大。
優(yōu)選地,在步驟2)中的優(yōu)化目標(biāo)還包括:葉片根部的最大應(yīng)力
優(yōu)選地,左邊型線和右邊型線的齒數(shù)m≥2。更優(yōu)選地,左邊型線和右邊型線的齒數(shù)m ≤4。
優(yōu)選地,控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)n≥10,以獲得良好的優(yōu)化效果。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,左邊型線和右邊型線的齒數(shù)m=3,葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的每對齒的頸部的承載力所占百分比p1:p2:p3=40%:30%:30%。
根據(jù)本發(fā)明,在步驟1)中,葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線可以采用直線構(gòu)型或型線庫中已有的型線構(gòu)型。
當(dāng)葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線采用型線庫中已有的型線構(gòu)型時(shí),可以僅對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量進(jìn)行優(yōu)化,各控制點(diǎn)的y變量保持不變,即,y變量的移動限值選擇為yimin=y(tǒng)imax=0。這可以降低優(yōu)化工作量,并能夠獲得符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)體系的優(yōu)于工程已知構(gòu)型的優(yōu)化型線。
優(yōu)選地,在步驟2)中進(jìn)行優(yōu)化所使用的優(yōu)化算法可以為基因多島遺傳算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
附圖說明
下面參照附圖通過非限制性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述,其中:
圖1示出葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線的直線型構(gòu)型的示意圖,其中,1指示葉片根部,2指示與該葉片根部配合的轉(zhuǎn)子輪槽,c為型線的控制點(diǎn);
圖2示出圖1中的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的可能性優(yōu)化構(gòu)型的示意圖;
圖3示出采用從型線庫中選取的已有構(gòu)型的葉片根部的初始型線的示意圖;
圖4示出優(yōu)化后的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的裝配圖,其中,方形框框出的為葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽接觸的面,橢圓框框出的為葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽不接觸的面;
圖5示出修正后的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的裝配圖,實(shí)線表示葉片根部的修正前的構(gòu)型,虛線表示葉片根部的修正后的構(gòu)型;
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的每對齒的頸部所受承載力所占百分比;
圖7示出葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力考察區(qū)域分塊;
圖8示出圖3中的葉片根部的型線優(yōu)化前后的視圖,其中,實(shí)線表示葉片根部的初始型線,虛線表示優(yōu)化后的型線;
圖9a示出初始構(gòu)型的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖,其中,左側(cè)為葉片根部的應(yīng)力分布圖,右側(cè)為轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖;以及
圖9b示出優(yōu)化后的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖,其中,左側(cè)為葉片根部的應(yīng)力分布圖,右側(cè)為轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。在下面的描述中,闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便使所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠更好地了解本發(fā)明。但是,對于所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說明顯的是,本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可不具有這些具體細(xì)節(jié)中的一些。此外,應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明并不限于所介紹的特定實(shí)施例。因此,下面的實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)僅作說明之用,而不應(yīng)被看作是對權(quán)利要求的限定,除非在權(quán)利要求中明確提出。
本發(fā)明源于這樣的發(fā)明構(gòu)思,即,使用樣條曲線繪制出葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線,然后借助雙目標(biāo)(葉片根部的最大應(yīng)力和轉(zhuǎn)子輪槽的最大應(yīng)力最小化)優(yōu)化方法,獲得優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線。這種方法可以很容易從微調(diào)擴(kuò)展至全局最優(yōu)構(gòu)型尋求,因此能夠獲得全局最優(yōu)構(gòu)型。
具體地,根據(jù)本發(fā)明的用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法包括如下步驟:
1)對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行參數(shù)化:用樣條曲線繪制出葉片根部的初始型線,該初始型線由關(guān)于y軸對稱的左邊型線和右邊型線以及分別連接左邊型線和右邊型線的相應(yīng)端點(diǎn)的頂部型線和底部型線組成,右邊型線由n個(gè)控制點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)、…、(xn,yn)連接而成并且包括m個(gè)齒;在該步驟1)中,還對與葉片根部相配合的轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線進(jìn)行參數(shù)化,轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線與葉片根部的初始型線相同;以及
2)對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化:首先基于在步驟1)中的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線建立葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的有限元模型并進(jìn)行首次計(jì)算以計(jì)算出葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力,然后設(shè)置優(yōu)化變量、優(yōu)化約束條件、優(yōu)化目標(biāo),啟動優(yōu)化以獲得優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線,其中:
優(yōu)化變量為:a)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量x1、x2、…、xn;和b)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的y變量y1、y2、…、yn;
優(yōu)化約束條件為:a)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量移動范圍ximin≤xi≤ximax(i=1,2,…,n);b)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的y變量移動范圍yimin≤yi≤yimax(i=1,2,…,n);和c)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的每對齒的頸部的承載力所占百分 比pm≤pm-1≤…≤p1,∑pi=1;
優(yōu)化目標(biāo)為:葉片根部的最大應(yīng)力
根據(jù)本發(fā)明,由于在優(yōu)化時(shí)葉片根部型線一直在改變,若同時(shí)考慮轉(zhuǎn)子輪槽與葉片根部之間的間隙,那么轉(zhuǎn)子輪槽型線的表達(dá)式在優(yōu)化時(shí)也不斷在變,且比較復(fù)雜,因此在優(yōu)化時(shí)先假定轉(zhuǎn)子輪槽與葉片根部的型線相同,但接觸面只有2*m對(m的含義同上:型線齒對的數(shù)目),如圖3所示。
為了獲得良好的優(yōu)化效果,優(yōu)選地,控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)n≥10。
一般而言,葉片根部的左邊型線和右邊型線的齒數(shù)m≥2。并且,優(yōu)選地,葉片根部的左邊型線和右邊型線的齒數(shù)m≤4。
完成優(yōu)化后,考慮到葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽之間的裝配,可以對葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行修正。即,本發(fā)明還可以附加地包括以下步驟:
3)對所獲得的優(yōu)化的葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行修正:考慮在工程應(yīng)用時(shí)葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽之間存在間隙,將所獲得的優(yōu)化的葉片根部的與轉(zhuǎn)子輪槽不接觸的部分的型線的控制點(diǎn)的y變量增大對應(yīng)于所述間隙的數(shù)值,或者將所獲得的優(yōu)化的轉(zhuǎn)子輪槽的與葉片根部不接觸的部分的型線的控制點(diǎn)的y變量減小對應(yīng)于所述間隙的數(shù)值,以獲得工程上間隙匹配較好的一套葉片根部-轉(zhuǎn)子輪槽型線。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),通常將葉片根部的與轉(zhuǎn)子輪槽的非接觸面(如圖4所示,方形框框出的部分)處的控制點(diǎn)向上移動0.1mm~3mm(見圖5)?;蛘撸瑢⑥D(zhuǎn)子輪槽的與葉片根部的非接觸面處的控制點(diǎn)向下移動0.1mm~3mm(未示出)。該距離原則上是根據(jù)型線本身的幾何尺寸大小而確定的,型線尺寸越大,配合間隙越大,反之亦然。這樣有利于葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的間隙配合,便于工程裝配。
在圖4中示出了優(yōu)化后的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的裝配圖,方形框框出的為接觸面,橢圓框框出的為非接觸面。圖5示出了修正后的葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的裝配圖,實(shí)線表示葉片根部的修正前的構(gòu)型,虛線表示葉片根部的修正后的構(gòu)型。
為了使應(yīng)力分布更加均勻,根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟2)中的優(yōu)化目標(biāo)還包括:葉片根部的最大應(yīng)力
在步驟1)中,葉片根部的初始型線可以采用直線構(gòu)型或型線庫中已有的型線構(gòu)型。圖1示出了直線構(gòu)型的示意圖,圖3示出了型線庫中已有的型線構(gòu)型的示意圖。
當(dāng)葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線采用型線庫中已有的型線構(gòu)型時(shí),可以僅對葉片根部 和轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量進(jìn)行優(yōu)化,各控制點(diǎn)的y變量保持不變,即,y變量的移動限值選擇為yimin=y(tǒng)imax=0。這可以降低優(yōu)化工作量,并能夠獲得符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)體系的優(yōu)于工程已知構(gòu)型的優(yōu)化型線。
在步驟2)中進(jìn)行優(yōu)化所使用的優(yōu)化算法可以為基因多島遺傳算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。應(yīng)該理解,也可以使用其他任何合適的算法。
下面結(jié)合控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)n為13、齒數(shù)m=3、葉片根部的每對齒的頸部的承載力所占百分比p1:p2:p3=40%:30%:30%的實(shí)施例對本發(fā)明的用于對透平機(jī)械的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
首先,對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行參數(shù)化:從型線庫中選取葉片根部的初始型線,用樣條曲線描繪該初始型線,該初始型線由關(guān)于y軸對稱的左邊型線和右邊型線以及分別連接左邊型線和右邊型線的相應(yīng)端點(diǎn)的頂部型線和底部型線組成(見圖3),右邊型線由13個(gè)控制點(diǎn)c1(x1,y1)、c2(x2,y2)、…、c13(x13,y13)連接而成并且包括3個(gè)齒;在該步驟中,還對與葉片根部相配合的轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線進(jìn)行參數(shù)化,轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線與葉片根部的初始型線相同;
然后,對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行優(yōu)化:首先基于葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的初始型線建立葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的有限元模型并進(jìn)行首次計(jì)算以計(jì)算出葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力,然后設(shè)置優(yōu)化變量、優(yōu)化約束條件、優(yōu)化目標(biāo),利用基因多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化以獲得優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線,其中:
優(yōu)化變量為:葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量x1、x2、…、x13;
優(yōu)化約束條件為:a)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線的各控制點(diǎn)的x變量移動范圍ximin≤xi≤ximax(i=1,2,…,13);和b)葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的每對齒的頸部的承載力所占百分比p1:p2:p3=40%:30%:30%(圖6示出葉片根部的每對齒的頸部所受承載力所占百分比);
優(yōu)化目標(biāo)為:a)葉片根部的最大應(yīng)力
經(jīng)優(yōu)化后,得到優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的型線,如圖8所示,其中,實(shí)線表示葉片根部的初始型線,虛線表示優(yōu)化后的型線。經(jīng)計(jì)算后,與初始構(gòu)型相比,優(yōu)化的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的最大應(yīng)力都大幅減小,具體如圖9a和圖9b所示。圖9a為初始構(gòu)型的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖,葉片根部最大應(yīng)力為1049mpa,轉(zhuǎn)子輪槽最大應(yīng)力為958mpa;圖 9b為優(yōu)化后構(gòu)型的葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的應(yīng)力分布圖,葉片根部最大應(yīng)力為857.4mpa,轉(zhuǎn)子輪槽最大應(yīng)力為756.9mpa。
最后,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),考慮葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽之間的間隙,對所獲得的優(yōu)化的葉片根部或轉(zhuǎn)子輪槽的型線進(jìn)行修正。在此例中,設(shè)置葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽之間的間隙為0.6mm。將葉片根部的與轉(zhuǎn)子輪槽的非接觸面上的控制點(diǎn)向上移動0.6mm,則將得到新的葉片根部型線,如圖5中虛線所示的構(gòu)型。向上移動葉片根部與轉(zhuǎn)子輪槽的非接觸面上的控制點(diǎn)不僅減小了葉片根部的重量,降低了轉(zhuǎn)子輪槽所受到的離心力,而且對葉片根部和轉(zhuǎn)子輪槽的整體應(yīng)力分布影響不大?;蛘撸谖词境龅膶?shí)施例中,可以將轉(zhuǎn)子輪槽的與葉片根部的非接觸面上的控制點(diǎn)向下移動0.6mm,以獲得新的轉(zhuǎn)子輪槽型線。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上,但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)所作的各種更動與修改,均應(yīng)納入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi),因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。