帶支板高低壓渦輪過渡流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種渦輪過渡流道設(shè)計(jì)方法，特別是涉及一種帶支板高低壓渦輪過渡 流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 連接高壓渦輪和低壓渦輪的渦輪過渡流道是大涵道燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件， 氣流在渦輪過渡流道中需經(jīng)歷減速擴(kuò)壓過程。由經(jīng)典擴(kuò)壓器理論可知，氣流在擴(kuò)壓通道中 極易分離，為了避免分離造成流動(dòng)損失，必須增加通道軸向長度以減輕擴(kuò)壓程度，而增加軸 向長度必然帶來渦輪重量和成本的增加。
[0003] 長久以來，渦輪過渡流道設(shè)計(jì)問題并未受到足夠的重視，設(shè)計(jì)方法止步于經(jīng)典擴(kuò) 壓器理論，但隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，核心機(jī)尺寸不斷減小，渦輪材料耐受溫度不斷提 高，渦輪冷卻技術(shù)長足發(fā)展，經(jīng)典渦輪過渡流道設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)下航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè) 計(jì)的需求。
[0004] 2013年2月，第2期《推進(jìn)技術(shù)》雜志第161至167頁刊載《基于二維優(yōu)化的過渡 流道設(shè)計(jì)》一文，提出了一套二維渦輪過渡流道設(shè)計(jì)方法。該方法主要步驟如下所述。首先 應(yīng)對該渦輪過渡流道進(jìn)行一維分析，并確定支板的位置及幾何形狀；繼而以一維優(yōu)化分析 結(jié)果為基礎(chǔ)，給定初始擾動(dòng)參數(shù)，對一維設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行擾動(dòng)；接著用二維通流方法求解渦輪 過渡流道性能，以壓力恢復(fù)系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)的加權(quán)平均為目標(biāo)函數(shù)，采用單純形法優(yōu) 化，迭代數(shù)次直至達(dá)到所需精度，則完成渦輪過渡流道的二維優(yōu)化設(shè)計(jì)
[0005] 現(xiàn)有方法所設(shè)計(jì)的渦輪過渡流道，燃?xì)饬髟谄渲邪l(fā)生較大分離，流動(dòng)損失大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有渦輪過渡流道設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)出的渦輪過渡流道，燃?xì)饬髟跍u輪過 渡流道中發(fā)生分離而造成流動(dòng)損失大的不足，本發(fā)明提供一種帶支板高低壓渦輪過渡流道 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先通過一維設(shè)計(jì)確定渦輪過渡流道的幾何形狀，采用貝塞爾曲線 構(gòu)建滿足一維設(shè)計(jì)結(jié)果的端壁型線方程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步疊加所構(gòu)造好的支板。繼而 隨機(jī)生成機(jī)匣和輪轂的幾何參數(shù)，并生成新的型線。然后用通流求解流場性能參數(shù)。最后， 以壓力恢復(fù)系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)的加權(quán)平均為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并以壓力恢復(fù)系數(shù)梯度小 于優(yōu)化前壓力恢復(fù)系數(shù)梯度為約束條件，采用小生境遺傳算法優(yōu)化直至進(jìn)化到給定代數(shù)為 止。由于采用貝塞爾曲線為基礎(chǔ)構(gòu)建了高低壓渦輪過渡流道的型線方程，采用帶約束的小 生境遺傳算法，對高低壓渦輪過渡流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了【背景技術(shù)】方法所設(shè)計(jì)出的渦 輪過渡流道燃?xì)饬靼l(fā)生分離而造成流動(dòng)損失大的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種帶支板高低壓渦輪過渡流道優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是采用以下步驟：
[0008] 通過一維設(shè)計(jì)確定渦輪過渡流道的幾何形狀，根據(jù)一維設(shè)計(jì)結(jié)果將渦輪過渡流道 的機(jī)匣及輪轂型線分別用兩條帶有5個(gè)控制點(diǎn)的4階貝塞爾曲線來構(gòu)建，每條曲線的參數(shù) 化方程為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶支板高低壓渦輪過渡流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟： 通過一維設(shè)計(jì)確定渦輪過渡流道的幾何形狀，根據(jù)一維設(shè)計(jì)結(jié)果將渦輪過渡流道的機(jī) 匣及輪轂型線分別用兩條帶有5個(gè)控制點(diǎn)的4階貝塞爾曲線來構(gòu)建，每條曲線的參數(shù)化方 程為
(1) 式中，￡^是二項(xiàng)式系數(shù)；
L是Bernstein多項(xiàng)式;m是多項(xiàng)式的 階數(shù)；t是曲線的控制參數(shù)，其取值范圍為O到1 ^1是控制點(diǎn)橫坐標(biāo)；y i是控制點(diǎn)縱坐標(biāo)； 將已設(shè)計(jì)好的支板與上述新生成的渦輪過渡流道相疊加； 在適當(dāng)范圍內(nèi)隨機(jī)變化控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用貝塞爾曲線生成新的渦輪過渡流道幾何型 線； 對定常、無黏、軸對稱的流動(dòng)的徑向平衡方程積分可求得沿計(jì)算站的子午速度分布；公 式（2)為徑向平衡方程的線性常微分形式；方程中式A(I)如公式（3)所示，B(I)如公式 (4)所示；
式中，Cm是子午速度；r。是流線曲率半徑；f是流線傾斜角；r是計(jì)算站徑向夾角；m是 子午方向；ε是葉片傾斜角；W0是相對切向速度；1是計(jì)算站方向；Ω是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度； I是轉(zhuǎn)焓；s是熵；F 0是葉片切向力；β是相對流動(dòng)角；T是靜溫； 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
式中，W1是總壓損失系數(shù)權(quán)因子;W2是靜壓恢復(fù)系數(shù)權(quán)因子；ω是總壓損失系數(shù)；cp是 靜壓恢復(fù)系數(shù)，是參考總壓損失系數(shù)；cp 是參考靜壓恢復(fù)系數(shù)； 約束條件為
式中，cp是靜壓恢復(fù)系數(shù)；X是渦輪過渡流道軸向坐標(biāo)； 采用帶約束的小生境遺傳算法優(yōu)化求得新的型面方程，以給定進(jìn)化代數(shù)為優(yōu)化結(jié)束標(biāo) 志，達(dá)到指定進(jìn)化代數(shù)則優(yōu)化結(jié)束；否則生成新的控制點(diǎn)坐標(biāo)，重復(fù)自生成新貝塞爾曲線開 始的優(yōu)化過程。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶支板高低壓渦輪過渡流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，用于解決現(xiàn)有渦輪過渡流道設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的過渡流道，燃?xì)饬髟谶^渡流道中發(fā)生分離而造成流動(dòng)損失大的技術(shù)問題。技術(shù)方案是首先通過一維設(shè)計(jì)確定渦輪間過渡流道的幾何形狀，采用貝塞爾曲線構(gòu)建滿足一維設(shè)計(jì)結(jié)果的端壁型線方程，進(jìn)一步疊加所構(gòu)造好的支板。繼而隨機(jī)生成機(jī)匣和輪轂的幾何參數(shù)，并生成新的型線。以壓力恢復(fù)系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)的加權(quán)平均為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并以壓力恢復(fù)系數(shù)梯度小于優(yōu)化前壓力恢復(fù)系數(shù)梯度為約束條件，采用小生境遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。由于采用小生境遺傳算法對高低壓渦輪過渡流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有方法所設(shè)計(jì)的過渡流道燃?xì)饬鲃?dòng)損失大的技術(shù)問題。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104765923
【申請?zhí)枴緾N201510172255
【發(fā)明人】吳虎, 侯朝山, 楊金廣, 劉昭威
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月13日