[发明专利]基于超椭圆的叶片根部和转子轮槽的型线优化方法

说明书

本发明提供一种基于超椭圆的叶片根部和转子轮槽的型线优化方法，包括以下步骤：S1，对叶片根部型线和转子轮槽型线进行参数化：采用超椭圆曲线段和直线段相结合的轮廓表征方式对叶片根部型线和转子轮槽型线进行参数化；S2，对叶片根部和转子轮槽的初始型线进行优化：分别建立叶片根部和转子轮槽的二维有限元模型并且计算出对应的应力分布，获得叶片根部和转子轮槽的优化型线；S3，确保叶片根部的优化型线和转子轮槽的优化型线之间的适配性：增加对叶片根部和转子轮槽的优化型线的控制参数的约束条件。本发明能够通过超椭圆曲线段和直线段相结合的轮廓表征方式，能够获得更适应实际工况、整体所受应力更小的叶片根部和转子轮槽。

技术领域

本发明涉及汽轮机技术领域，特别是涉及一种基于超椭圆的叶片根部和转子轮槽的型线优化方法。

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。叶片通过其叶根与转子的轮槽连接，工作时，叶根和轮槽承担着因叶片旋转而产生的巨大离心力，并且叶根和轮槽之间容易产生应力集中现象，降低叶根和轮槽的疲劳寿命。因此，叶根和轮槽是透平机械结构设计的重点考核部位。

由于叶根和轮槽之间的应力集中处容易产生较大的峰值应力，在叶片结构设计中往往需要针对叶根型线和轮槽型线进行优化设计，以保证叶片的安全运行。现有专利(申请号：201510134985.1)公开了一种涡轮机动叶片的叶根及轮槽结构，叶根、轮槽的轮廓型线只使用直线段(长度)和圆弧段(半径)等特征参数进行描述和构建。此外，叶根、轮槽的轮廓型线是根据工程师的经验手动或者编程来实现特征参数的微调或比例模化改型设计，致使叶根、轮槽的轮廓型线的设计可行域非常有限。

值得注意的是：叶根、轮槽处的峰值应力通常出现在型线圆弧段的应力集中处。由于基于圆弧的轮廓表征方式限制了叶根、轮槽型线优化的可行域，限制了优化区间，很难得出理论上最优的叶根轮槽型线优化方案。这就需要寻找新的描述方法以突破当前基于圆弧的叶根、轮槽型线限制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于超椭圆的叶片根部和转子轮槽的型线优化方法，通过超椭圆曲线段和直线段相结合的轮廓表征方式，能够获得更适应实际工况、整体所受应力更小的叶片根部和转子轮槽。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于超椭圆的叶片根部和转子轮槽的型线优化方法，包括以下步骤：

S1，对叶片根部型线和转子轮槽型线进行参数化：采用超椭圆曲线段和直线段相结合的轮廓表征方式对叶片根部型线和转子轮槽型线进行参数化，从而形成叶片根部和转子轮槽的初始型线，轮廓表征方式所采用的描述参数包括超椭圆曲线方程的方程参数、叶片根部的构型参数以及转子轮槽的构型参数；

S2，对叶片根部和转子轮槽的初始型线进行优化：基于叶片根部和转子轮槽的初始型线，分别建立叶片根部和转子轮槽的二维有限元模型并且计算出对应的应力分布，设置优化参数、优化约束条件以及优化目标，获得叶片根部和转子轮槽的优化型线；

S3，确保叶片根部的优化型线和转子轮槽的优化型线之间的适配性：增加对叶片根部和转子轮槽的优化型线的控制参数的约束条件，使叶片根部的优化型线和转子轮槽的优化型线之间无干涉。

优选地，在所述步骤S1中，超椭圆曲线方程为：

所述方程参数为超椭圆曲线方程中的a、b以及n，a、b以及n均为正数，a和b为超椭圆的半轴长，a和b约束超椭圆的大小；n为形状指数，n约束超椭圆的形状。

优选地，在步骤S1中，叶片根部型线和转子轮槽型线均由直线轮廓部和弯曲轮廓部构成，叶片根部的弯曲轮廓部和转子轮槽的弯曲轮廓部均用基于超椭圆曲线方程的曲线段进行描述。