透平叶片气动优化设计方法研究

发布时间：2017-06-04 12:07

  本文关键词：透平叶片气动优化设计方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 设计高性能的燃气轮机和蒸汽轮机,同时降低设计成本、缩短设计周期,是叶轮机械领域技术研发的一个重要目标。透平叶片作为叶轮机械中的关键部分,担负着热功转换的重要任务,它的造型好坏很大程度上影响透平的气动性能,所以要提高叶轮机械的性能,叶片的优化设计技术很值得研究。本文采用全三维叶片参数化造型技术、多种优化算法和先进CFD求解技术相结合的策略,构建了叶轮机械叶栅自动优化设计平台。该设计平台采用了两种优化方法,一种借助实验设计和统计学分析的商业软件,对变量进行实验设计(DOE)和采用响应面方法(RSM)近似建模,之后采用基于随机的搜索方法对该响应面进行寻优;另一种采用遗传算法,直接评估种群个体的适应度值并进行寻优。论文的主要工作及取得的成果包括: 1将NURBS曲线及节点插入算法应用到透平叶栅的二维参数化造型,可以兼顾造型参数的实际物理意义和型线调节的灵活性,将NURBS曲线用于构造叶片径向积叠线,并通过编程实现了优化过程的自动进行; 2基于DOE和RSM的优化方法所需计算的样本个体少,计算开销也低。分别采用D-optimal实验和中心复合实验方法对单排叶片和单级透平进行了积叠线和二维叶栅型线优化,每次只安排30～40次实验,取得了良好的优化效果; 3采用改进的轮盘赌选择法、Pareto多目标优化技术、遗传算法的自适应和精英保存策略等,对基本遗传算法进行了改进,发展了一种适用于透平叶栅气动优化的多目标自适应遗传算法,并对单级透平进行了积叠线和二维叶栅型线自动优化。结果表明,采用遗传算法得到的结果更加可信,是获得近似全局最优解的有效途径。
【关键词】：透平叶片 非均匀有理B样条 节点插入技术 多目标气动优化
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK14
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 课题背景和意义11-13
• 1.2 叶片设计及优化的发展及现状13-22
• 1.2.1 经验方法及正问题和反问题设计方法13-14
• 1.2.2 数值优化设计方法14-22
• 1.2.2.1 透平叶栅单目标与多目标优化设计方法14-18
• 1.2.2.2 基于试验设计的透平叶栅优化方法18-19
• 1.2.2.3 多级透平叶栅全三维优化设计体系19-22
• 1.3 论文各部分主要内容22-25
• 第二章 计算采用软件的介绍及说明25-35
• 2.1 相关商业软件的介绍25-30
• 2.1.1 TurboGrid软件简介25
• 2.1.2 TurboGrid中网格拓扑结构的选取25-28
• 2.1.2.1 正确使用Layers避免负体积的出现27-28
• 2.1.3 CFX软件简介28-30
• 2.1.3.1 CFX求解器28
• 2.1.3.2 CFX-Pre动静叶栅交接面处理28-29
• 2.1.3.3 湍流模型的选用29-30
• 2.2 DESIGN EXPERT软件简介30-33
• 2.3 优化过程自动化的实现33-34
• 2.3.1 采用批处理文件实现自动化流程33-34
• 2.3.2 使用rsh实现多机并行计算34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 基于NURBS的透平叶栅参数化造型方法35-49
• 3.1 二维叶栅型线参数化造型35-42
• 3.1.1 NURBS曲线简介36-37
• 3.1.2 基于NURBS的二维叶栅型线造型方法37-39
• 3.1.2.1 参数的选取及意义37-39
• 3.1.2.2 二维叶栅型线的计算步骤39
• 3.1.3 NURBS曲线节点插入技术和叶栅型线的微调节39-41
• 3.1.4 中弧线与厚度叠加的二维叶栅型线参数化造型41-42
• 3.2 积叠线造型42-46
• 3.2.1 弯叶片43-44
• 3.2.2 掠叶片44-45
• 3.2.3 多样的积叠方式45-46
• 3.3 子午面端壁参数化造型46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 基于DOE和RSM的优化方法49-65
• 4.1 优化方法及优化对象49-52
• 4.2 D—OPTIMAL试验对单排喷嘴积叠线优化52-57
• 4.2.1 研究手段和方法52-53
• 4.2.2 算例描述53-54
• 4.2.3 计算结果与分析54-57
• 4.2.3.1 实验结果54-55
• 4.2.3.2 RSM近似建模结果55-56
• 4.2.3.3 优化结果56-57
• 4.3 中心复合试验对单级透平叶栅型线的优化57-64
• 4.3.1 研究的手段和方法57-58
• 4.3.2 算例描述58-59
• 4.3.3 计算结果与分析59-64
• 4.3.3.1 实验结果59-60
• 4.3.3.2 RSM近似建模结果60-62
• 4.3.3.3 优化结果62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章 基于遗传算法的优化方法65-85
• 5.1 遗传算法简介65-76
• 5.1.1 基本遗传算法65-68
• 5.1.1.1 编码方式66
• 5.1.1.2 选择方式66-67
• 5.1.1.3 基本运行参数67-68
• 5.1.1.4 终止准则68
• 5.1.2 遗传算法的自适应68-69
• 5.1.3 遗传算法的多目标策略69-70
• 5.1.3.1 非Pareto方法69
• 5.1.3.2 Pareto方法69-70
• 5.1.4 自编遗传算法的性能测试70-76
• 5.1.4.1 Camel函数70-72
• 5.1.4.2 Hyroyuki'function72-74
• 5.1.4.3 Shaffer's F6函数74-76
• 5.2 采用遗传算法对某单级透平的优化76-84
• 5.2.1 优化策略76-78
• 5.2.2 算例描述78-79
• 5.2.3 计算结果及分析79-84
• 5.3 本章小结84-85
• 第六章 结论与展望85-87
• 主要符号说明87-89
• 插图列表89-93
• 表格列表93-95
• 参考文献95-97
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文97-99
• 致谢99

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 彭茂林;杨自春;曹跃云;初珠立;;涡轮叶片三维气动分析方法研究[J];热力透平;2012年04期

2 张攀;王鹏;谷晓刚;徐则林;杨涛;;汽轮机调节级导叶片前缘优化研究[J];汽轮机技术;2012年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 雷风林;汽轮机末级变工况性能研究与流道改进设计[D];郑州大学;2010年

2 王录;轴流式叶轮机械叶片气动数值优化设计研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2010年

3 谢德正;轴流泵叶轮的自动优化设计研究[D];扬州大学;2010年

4 奚忠;径流透平气动设计及优化方法研究[D];中国科学院研究生院（工程热物理研究所）;2012年

5 马桂超;混流泵叶轮的自动优化设计研究[D];扬州大学;2012年

  本文关键词：透平叶片气动优化设计方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：420912