本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)渦輪，涉及一種高效新構(gòu)型單級渦輪設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、渦輪部件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要做工部件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中通常以渦輪級的形式布置，即由導(dǎo)向器和工作輪構(gòu)成其基本結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的工作過程中，由于飛行器起飛、巡航等工況的變化，渦輪級需在寬范圍的流量和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，新一代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)策略使渦輪級的流量和轉(zhuǎn)速變化范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。這將導(dǎo)致渦輪基元級速度三角形改變，進(jìn)而導(dǎo)致流動(dòng)分離、葉型損失增大、渦輪級效率下降等問題。提高流量適應(yīng)范圍和級效率是渦輪級設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題。

2、在自然界中，類似于鯨魚鰭和海豹觸須的表面均存在波浪狀結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外相關(guān)研究證實(shí)，海豹觸須的波浪狀結(jié)構(gòu)可近似使用正弦曲線進(jìn)行參數(shù)化描述，使用類似于海豹觸須的波浪狀仿生葉型具有抑制流動(dòng)分離、改變柵后渦街結(jié)構(gòu)的效果，是一種有效的流動(dòng)控制方法。但自然界動(dòng)物的生理特征所處的流場環(huán)境與渦輪葉片所處的流動(dòng)環(huán)境有極大區(qū)別，采用仿生手段控制葉片流動(dòng)的方法大多僅應(yīng)用于葉片的局部，以針對性地優(yōu)化葉片特定性能，目前仍未形成能有效提高流量、損失、效率的仿生新構(gòu)型寬適應(yīng)性渦輪級設(shè)計(jì)方法。

3、目前針對渦輪的流動(dòng)控制方法可分為葉中流動(dòng)控制手段，例如葉片表面粗糙度控制、射流式渦激振器、吸力面球窩結(jié)構(gòu)等和端區(qū)流動(dòng)控制手段，例如非軸對稱壁面、邊界層抽吸等。如cn112594011a公開的一種高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部流動(dòng)分離主動(dòng)調(diào)控裝置，其中為了控制高負(fù)荷低壓渦輪葉片吸力面上發(fā)生層流分離，設(shè)置了吸力面分離控制單元，包括設(shè)置在每一渦輪葉片內(nèi)的多個(gè)自激勵(lì)射流式渦激振器以及多個(gè)與自激勵(lì)射流式渦激振器一一對應(yīng)連通的射流管道，多個(gè)自激勵(lì)射流式渦激振器沿葉片展向布置，每一射流管道的出口對應(yīng)與一自激勵(lì)射流式渦激振器的入口連通，每一射流管道的入口與端壁邊界層抽吸單元中的增壓裝置的出口連通，每一自激勵(lì)射流式渦激振器的射流出口形成在渦輪葉片的吸力面的分離泡3的發(fā)展區(qū)域，且射流出口的射流角度θ應(yīng)設(shè)置為有利于抑制葉片吸力面的附面層分離。但諸如這些方法僅針對渦輪葉片的特定問題進(jìn)行了優(yōu)化，且大多以渦輪葉片為研究對象，未針對渦輪級進(jìn)行綜合分析，且綜合這些控制方法來設(shè)計(jì)寬工況葉型的設(shè)計(jì)過程過于復(fù)雜；另有前/尾緣波浪翼型的仿生葉型，主要用于控制外流噪聲，對葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的控制效果非常有限，并且主要是針對設(shè)計(jì)工況下的流動(dòng)控制，缺乏優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，適用工況范圍較窄。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了提出了一種高效新構(gòu)型單級渦輪設(shè)計(jì)方法，具體的為仿海豹須葉型的寬轉(zhuǎn)速適應(yīng)性新構(gòu)型渦輪級的設(shè)計(jì)方法，通過在葉中位置使用仿海豹須的非對稱波浪凹凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對轉(zhuǎn)渦來抑制流動(dòng)分離，在端壁位置使用較葉中更顯著的波浪凹凸結(jié)構(gòu)抑制二次流發(fā)展，以使渦輪級在寬轉(zhuǎn)速范圍下提高級效率并降低流動(dòng)損失。

2、本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的解決技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供了提出了一種高效新構(gòu)型單級渦輪設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

4、ss1.定義仿生葉片結(jié)構(gòu)，所述仿生葉片結(jié)構(gòu)包括海豹須仿生渦輪葉片，且仿生渦輪葉片的波浪特征在靠近端區(qū)位置的節(jié)距和振幅相比于葉中位置的節(jié)距和振幅更大，且所使用的新構(gòu)型葉片的前緣曲線和尾緣曲線彼此獨(dú)立，兩曲線的振幅和頻率不會(huì)相互影響；

5、ss2.生成仿生渦輪葉片的波浪特征，包括以下步驟：

6、ss21.通過三角函數(shù)曲線定義前緣和尾緣波浪曲線，波浪曲線的表達(dá)式為:

7、

8、其中t為可確定葉型截面展向位置的自變量，a(t)為曲線振幅，為曲線初始相位，p(t)為曲線頻率；

9、ss22.調(diào)整a(t)和p(t)以在葉片端區(qū)位置獲得更大的振幅和節(jié)距；

10、ss23.調(diào)整以在葉片端區(qū)位置獲得更大的軸向弦長；

11、ss3.對齊原始葉型曲線與波浪曲線，包括以下步驟：

12、ss31.將原始葉型曲線的前緣與前緣波浪曲線對齊，或?qū)⒃既~型曲線的尾緣與尾緣波浪曲線對齊；

13、ss32.調(diào)整葉型控制點(diǎn)，使調(diào)整后的葉型尾緣與尾緣波浪曲線對齊，或使調(diào)整后的葉型前緣與前緣波浪曲線對齊，其中控制點(diǎn)至葉型中弧線的調(diào)節(jié)距離在軸向上呈線性；

14、ss4.利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的全局優(yōu)化算法對波浪曲線進(jìn)行優(yōu)化，以確定導(dǎo)葉和動(dòng)葉的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，其中多目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為不同流量和轉(zhuǎn)速下的渦輪葉柵出口總壓損失系數(shù)和總效率；

15、其中總壓損失系數(shù)的表達(dá)式為：

16、

17、其中p01，t，p01，s，p02，t對應(yīng)動(dòng)葉進(jìn)口中截面處總壓、靜壓和葉柵出口1.4倍軸向弦長處的總壓平均值；

18、總效率的表達(dá)式為：

19、

20、其中t00,t02對應(yīng)導(dǎo)葉進(jìn)口和動(dòng)葉出口溫度，p00,p02對應(yīng)導(dǎo)葉進(jìn)口和動(dòng)葉出口壓力，γ為工質(zhì)比熱比。

21、優(yōu)選的，步驟s3中，控制點(diǎn)包括但不限于前緣點(diǎn)、尾緣點(diǎn)和葉片的最大厚度點(diǎn)。

22、優(yōu)選的，步驟ss4中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的全局優(yōu)化算法對渦輪葉片的波浪曲線進(jìn)行優(yōu)化，包括以下步驟：

23、ss41.數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理：從歷史實(shí)驗(yàn)、cfd模擬收集渦輪葉片性能數(shù)據(jù)，包括不同波浪曲線參數(shù)下的總壓損失系數(shù)和總效率，通過清洗、歸一化和去除噪聲等手段，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性；

24、ss42.特征選擇：在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，確定影響渦輪性能的關(guān)鍵特征，包括波浪曲線的振幅、頻率、初始相位以及葉片的幾何參數(shù)；同時(shí)，考慮流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口溫度和壓力等工況特征，以確保優(yōu)化模型能夠全面反映不同工況下的性能變化；

25、ss43.模型選擇與訓(xùn)練：選擇多目標(biāo)遺傳算法(moga)作為優(yōu)化算法，并使用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)對多目標(biāo)遺傳算法(moga)進(jìn)行訓(xùn)練，建立能夠預(yù)測不同波浪曲線參數(shù)下渦輪性能的機(jī)器學(xué)習(xí)模型；

26、ss44.定義優(yōu)化目標(biāo)：在多目標(biāo)遺傳算法(moga)中定義兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：最小化總壓損失系數(shù)和最大化總效率；同時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，以確保波浪曲線的物理可行性和制造約束；

27、ss45.優(yōu)化算法配置：對多目標(biāo)遺傳算法(moga)的參數(shù)進(jìn)行配置，包括種群大小、交叉率、變異率和迭代次數(shù)等，設(shè)計(jì)綜合適應(yīng)度函數(shù)，用于評估每次迭代中個(gè)體的性能；

28、ss46.優(yōu)化迭代：在預(yù)定義的搜索空間內(nèi)，多目標(biāo)遺傳算法(moga)通過迭代的方式不斷搜索最優(yōu)波浪曲線參數(shù)；在每次迭代后，根據(jù)適應(yīng)度評估更新最優(yōu)解，逐步逼近全局最優(yōu)；

29、ss47.結(jié)果分析與驗(yàn)證：優(yōu)化完成后，對多目標(biāo)遺傳算法(moga)提供的最優(yōu)波浪曲線參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)集或cfd模擬進(jìn)行驗(yàn)證，確保優(yōu)化結(jié)果的可靠性和有效性；

30、ss48.設(shè)計(jì)迭代與調(diào)整：根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整波浪曲線設(shè)計(jì)，并進(jìn)行多輪設(shè)計(jì)迭代，直至達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。

31、優(yōu)選的，還進(jìn)一步包括葉片冷卻設(shè)計(jì)步驟，以提高葉片在高溫環(huán)境下的性能和耐久性；具體的包括采用內(nèi)部冷卻通道設(shè)計(jì)，利用氣流在葉片內(nèi)部循環(huán)來降低葉片表面溫度；以及優(yōu)化冷卻氣流的分布，以實(shí)現(xiàn)高效的熱交換并最小化對葉片氣動(dòng)性能的影響。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)：

33、(1)本發(fā)明通過在渦輪級的導(dǎo)葉尾緣和動(dòng)葉前緣采用仿生葉片的波浪特征，能夠有效地破碎尾跡大渦結(jié)構(gòu)，減少流動(dòng)分離，從而提高流動(dòng)穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)特別有助于在流量和轉(zhuǎn)速變化時(shí)，維持動(dòng)葉進(jìn)口攻角的適宜性，減少流動(dòng)損失，進(jìn)而提升渦輪級的總效率。

34、(2)仿生葉片的波浪特征在動(dòng)葉的吸力面上產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)渦結(jié)構(gòu)，顯著加速邊界層與主流之間的動(dòng)量交換。這種增強(qiáng)的動(dòng)量交換有助于提高渦輪級的整體性能，尤其是在高負(fù)荷或變工況運(yùn)行條件下，能夠保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

35、(3)本發(fā)明通過明確定義前緣和尾緣曲線，減少了設(shè)計(jì)中需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)量，簡化了設(shè)計(jì)流程。與傳統(tǒng)的流動(dòng)控制方法相比，這種簡化不僅降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，而且通過智能算法的應(yīng)用，使得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的求解更為高效和精確。

36、(4)利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的全局優(yōu)化算法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了渦輪級設(shè)計(jì)的智能化和自動(dòng)化，極大地提高了研發(fā)效率。這種智能化設(shè)計(jì)方法不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且通過多目標(biāo)優(yōu)化，確保了在不同工況下都能達(dá)到最優(yōu)的性能表現(xiàn)。