CN110245408B - 一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法 - Google Patents
一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，该方法由以下多个模块组成：包括已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库；十二参数单圆弧压力面叶型构造模块；全新单圆弧叶型造型模块；已有叶型单圆弧参数化模块；平面叶栅CFD计算模块。以上模块相互迭代，直至叶型性能参数达到设计要求。本发明的汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法设计的叶型，其加工成本仅为常规的离散点叶型加工成本的1/4～1/3，新叶型开发速度比传统方法提高30％以上。
Description
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，涉及一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法。
背景技术
汽轮机是功能转换的重要设备，广泛应用于电力、石油、化工、冶金、能源、核电、舰船等各个领域。汽轮机结构复杂、设计制造难度高，属于高端装备制造业。
为不断提高汽轮机热功转换的效率，针对通流叶片型线的优化与设计工作一直在开展。各公司叶型设计方法不断升级，效率得以逐步提高；随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽轮机通流叶片的全三维流场优化设计己经成为可能。目前使用的汽轮机叶片型线为早年开发的常规型线，其气动性能、加工工艺性和设计方法还有较大提升空间。而传统的叶片优化与设计方法非常依赖设计人员的个人经验，通过大量正向设计方案择优获得，设计效率较低，设计结果也有较强随机性和不可复制性，往往不是最优结果。
叶片作为汽轮机的核心部件，不仅数量多，形状复杂，而且加工要求高，其加工工作量非常大，约占汽轮机总加工量的1/4～1/3。叶片的加工工艺性很大程度上决定了汽轮机成本的高低。目前多数厂家新开发的汽轮机叶片叶型均为离散点，需要采用多轴数控加工方法加工，增加了叶片的加工成本。
为降低叶片的加工成本，同时提高新型叶片设计开发的效率，亟需发明一种叶片型线的设计方法，用以快速高效地完成具有优良加工工艺性叶片型线的开发。
发明内容
针对现在汽轮机叶片型线加工工艺性和效率可以进一步提高的现状，本发明的目的是提供一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，该种方法开发的叶片具有优良的加工工艺性，叶片加工成本低，且叶型设计开发效率高。
为了达到上述目的，发明了一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，该方法由以下多个模块组成：已有单圆弧压力面叶型、常规叶型几何特征参数数据库；十二参数单圆弧压力面叶型构造模块；全新单圆弧叶型造型模块；已有叶型单圆弧参数化模块；平面叶栅CFD计算模块。以上模块相互迭代，直至叶型性能参数达到设计要求。其步骤为：
步骤1：将叶片造型需求传输至已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库，筛选后续叶片造型的几何特征参数边界；
步骤2：几何特征参数边界传输至十二参数单圆弧压力面叶型构造模块，获得参数化叶型造型所需十二项几何特征参数的取值范围；
步骤3：进入全新叶型造型模块构造全新叶片型线，或进入已有叶型参数化处理模块对已有叶型进行参数化拟合；
步骤4：经全新叶型造型模块得到的叶型数据输入到平面叶栅CFD计算模块对叶型的气动性能进行评判；经已有叶型参数化处理模块得到的数据输入到平面叶栅CFD计算模块对叶型的气动性能进行评判；
步骤5：评判后的数据未达到设计目的时，重复步骤3，直至满足需求完成设计。
进一步的方案为，所述十二参数单圆弧压力面叶型构造模块的十二项几何特征参数包括进口几何角(α)、出口几何角(β)、前缘楔角(γ)、前缘椭圆长轴(a/L)、前缘椭圆短轴(b/L)、单圆弧半径(R/L)、尾缘圆弧直径(d/L)、最大厚度直径(Dmax/L)、最大厚度轴向位置(c/L)及吸力面样条曲线坐标点y01/L、y02/L，其中L为叶片真实弦长。
更进一步的方案为，所述已有叶型参数化处理模块对已有叶型参数化拟合的具体步骤如下：
1)在各参数给定范围内给出参数化叶型造型所需十二项几何参数的随机组合，建立参数化叶型随机样本
作为初始叶型数据库，样本数n至少大于200；
2)把已有叶型和参数化叶型随机样本置于相同坐标系下第一象限内，其弦长与x轴重合，前缘与y轴相切；
3)将已有叶型型线均匀离散m点，得到各点坐标o1(x1,y1)，o2(x2,y2），…，om(xm,ym)，m至少大于200；
4)从已有叶型离散点oi做垂线与参数化叶型随机样本相交，垂足坐标为(x′i，y′i)，获得参数化叶型
与已有叶型离散点的距离的和
遗传算法的目标函数为参数化叶型的函数Fn的最小值；
5)通过选择、交叉和变异运算的方法获得新一代参数化叶型群体，若干代迭代后获得适应度最佳、与已有叶型最接近的参数化叶型
代数不小于20。
本发明的单圆弧压力面叶型的参数化设计方法设计的叶片，具有优异的叶片加工工艺性和空气动力学效率，具有广阔的市场应用前景和竞争力。
附图说明
图1为本发明设计方法流程图；
图2为十二参数单圆弧压力面叶型构造模块参数化叶型示意图；
图3为CFD叶型流场分析示意图；
图4为实施例中已有叶型参数化拟合示意图；
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1
某汽轮机某转鼓级叶片，具体参数为：背压为8.7bar，流量为20kg/s，等熵效率为98％，入口总压为10bar，入口总温为633K。
如图1所示，一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，该方法由以下多个模块组成：已有单圆弧压力面叶型数据库、常规叶型几何特征参数数据库；十二参数单圆弧压力面叶型构造模块；全新单圆弧叶型造型模块；已有叶型单圆弧参数化模块；平面叶栅CFD计算模块。以上模块相互迭代，直至叶型性能参数达到设计要求。其步骤为：
步骤1：将叶片造型需求传输至已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库，筛选后续叶片造型的几何特征参数边界；
步骤2：几何特征参数边界传输至十二参数单圆弧压力面叶型构造模块，获得参数化叶型造型所需十二项几何特征参数的取值范围；
如图2所示，所述十二参数单圆弧压力面叶型构造模块的十二项几何特征参数包括进口几何角(α)、出口几何角(β)、前缘楔角(γ)、前缘椭圆长轴(a/L)、前缘椭圆短轴(b/L)、单圆弧半径(R/L)、尾缘圆弧直径(d/L)、最大厚度直径(Dmax/L)、最大厚度轴向位置(c/L)及吸力面样条曲线坐标点y01/L、y02/L，其中L为叶片真实弦长。
步骤3：进入全新叶型造型模块构造该转鼓级参数化叶片型线；
步骤4：经全新叶型造型模块得到的叶型数据输入到平面叶栅CFD计算模块对叶型的气动性能进行评判，如图3所示；
步骤5：评判后的数据未达到设计目的时，重复步骤3，完成设计。
经过多次迭代计算，最终获得叶型流动组织良好，等熵效率为98.2％，满足气动设计要求，叶片加工成本相比常规离散点叶型降低70％。
实施例2
对某汽轮机某转鼓级已有叶型进行参数化拟合，该叶型等熵效率为97.5％。
一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，该方法由以下多个模块组成：
已有单圆弧压力面叶型数据库、常规叶型几何特征参数数据库；十二参数单圆弧压力面叶型构造模块；全新单圆弧叶型造型模块；已有叶型单圆弧参数化模块；平面叶栅CFD计算模块。以上模块相互迭代，直至叶型性能参数达到设计要求。其步骤为：
步骤1：将叶片造型需求传输至已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库，筛选后续叶片造型的几何特征参数边界；
步骤2：几何特征参数边界传输至十二参数单圆弧压力面叶型构造模块，获得参数化叶型造型所需十二项几何特征参数的取值范围；
如图2所示，所述十二参数单圆弧压力面叶型构造模块的十二项几何特征参数包括进口几何角(α)、出口几何角(β)、前缘楔角(γ)、前缘椭圆长轴(a/L)、前缘椭圆短轴(b/L)、单圆弧半径(R/L)、尾缘圆弧直径(d/L)、最大厚度直径(Dmax/L)、最大厚度轴向位置(c/L)及吸力面样条曲线坐标点y01/L、y02/L，其中L为叶片真实弦长。
步骤3：进入已有叶型参数化处理模块对已有叶型进行参数化拟合；
如图4所示，所述已有叶型参数化处理模块对已有叶型参数化拟合的具体步骤如下：
1)各参数给定范围内给出参数化叶型造型所需十二项几何参数的随机组合，建立参数化叶型随机样本
作为初始叶型数据库，样本数n至少大于200；
2)把已有叶型和参数化叶型随机样本置于相同坐标系下第一象限内，其弦长与x轴重合，前缘与y轴相切；
3)将已有叶型型线均匀离散m点，得到各点坐标o1(x1,y1)，o2(x2,y2），…，om(xm,ym)，m至少大于200；
4)从已有叶型离散点oi做垂线与参数化叶型随机样本相交，垂足坐标为(x′i，y′i)，获得参数化叶型
与已有叶型离散点的距离的和
遗传算法的目标函数为参数化叶型的函数Fn的最小值；
步骤4：经已有叶型参数化处理模块得到的数据输入到平面叶栅CFD计算模块对叶型的气动性能进行评判；
步骤5：评判后的数据未达到设计目的时，重复步骤3，直至满足需求完成设计。
拟合后参数化叶型保留原有常规叶型主要几何、气动和强度振动特征，等熵效率为98.1％，叶片加工成本相比原有叶型降低70％。
Claims (1)
1.一种汽轮机单圆弧压力面叶型设计方法，其特征在于：该方法由以下多个模块组成：已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库；十二参数单圆弧压力面叶型构造模块；全新单圆弧叶型造型模块；已有叶型单圆弧参数化模块；平面叶栅CFD计算模块，以上模块相互迭代，直至叶型性能参数达到设计要求，其步骤为：
步骤1：将叶片造型需求传输至已有单圆弧压力面叶型和常规叶型的几何特征参数数据库，筛选后续叶片造型的几何特征参数边界；
步骤2：几何特征参数边界传输至十二参数单圆弧压力面叶型构造模块，获得参数化叶型造型所需十二项几何特征参数的取值范围；所述十二项几何特征参数包括进口几何角α、出口几何角β、前缘楔角γ、前缘椭圆长轴a、前缘椭圆短轴b、单圆弧半径R、尾缘圆弧直径d、最大厚度直径Dmax、最大厚度轴向位置c及吸力面样条曲线坐标点y01、y02，叶片真实弦长L；
步骤3：进入全新叶型造型模块构造全新叶片型线，或进入已有叶型参数化处理模块对已有叶型进行参数化拟合；所述已有叶型参数化处理模块对已有叶型参数化拟合的具体步骤如下：
1)在各参数给定范围内给出参数化叶型造型所需十二项几何参数的随机组合，建立参数化叶型随机样本
作为初始叶型数据库，样本数n至少大于200；
2)把已有叶型和参数化叶型随机样本置于相同坐标系下第一象限内，其弦长与x轴重合，前缘与y轴相切；
3)将已有叶型型线均匀离散m点，得到各点坐标o1(x1，y1)，o2(x2，y2)，...，om(xm，ym)，m至少大于200；
4)从已有叶型离散点oi做垂线与参数化叶型随机样本相交，垂足坐标为(x′i，y′i)，获得参数化叶型
与已有叶型离散点的距离的和
遗传算法的目标函数为参数化叶型的函数Fn的最小值；
5)通过选择、交叉和变异运算的方法获得新一代参数化叶型群体，若干代迭代后获得适应度最佳、与已有叶型最接近的参数化叶型
代数不小于20；
步骤4：经全新叶型造型模块得到的叶型数据输入到平面叶栅CFD计算模块对叶型的气动性能进行评判；经已有叶型参数化处理模块得到的数据输入到平面叶栅CFD计算模块，对叶型的气动性能进行评判；
步骤5：评判后的数据未达到设计目的时，重复步骤3，直至满足需求完成设计。
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