[发明专利]透平机械的叶片根部和转子轮槽的型线的优化设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种透平机械，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。

背景技术

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。

发明内容

鉴于以上所述的现有技术中存在的缺陷，本发明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，本发明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)、…、(x_n,y_n)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、…、x_n；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、…、y_n；