[发明专利]一种船用湿汽轮机多工况的叶片除湿优化设计方法

说明书

本发明公开了船用湿汽轮机多工况的叶片除湿优化设计方法，将叶片参数化重构方法、克里金近似模型、多目标遗传优化算法相结合，形成了一种以三维流场数值仿真计算方法计算的湿蒸汽非平衡凝结流动特性结果为依据，以极小化汽轮机两种运行工况的叶栅出口湿度作为优化目标，以两工况点的级效率不能减少以及各工况流量保持不变作为性能约束条件，以参数化叶型几何变量为设计变量的湿汽轮机除湿优化设计体系，能够实现湿汽轮机叶片多工况多约束的除湿优化设计。

技术领域

本发明属于属于船用汽轮机零部件设计技术领域，具体涉及一种船用湿汽轮机多工况的叶片除湿优化设计方法。

背景技术

汽轮机叶片是船用汽轮机热功转换的核心部件，汽轮机效率、功率、安全性、可靠性、寿命等性能与叶片型线紧密相关。开展汽轮机叶片优化设计对保证汽轮机经济性、可靠性和安全性具有非常重要意义。学者们针对叶片优化设计方法进行了较广泛的研究，但绝大多数研究是针对设计工况。船用湿汽轮机运行工况复杂、机动性要求高，某些大功率单缸汽轮机叶片承受着高湿度蒸汽和复杂应力作用，蒸汽湿度过高不仅会降低汽轮机输出功率和效率，还会使得叶片长期受到侵蚀，极易导致叶片损伤甚至断裂失效等，直接危机汽轮机运行安全，这就要求在设计时必须考虑多工况条件下的性能，尽可能降低末几级湿度。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能够兼顾多个工况点性能要求又能提升汽轮机多工况运行可靠性的船用湿汽轮机多工况的叶片除湿优化设计方法。

为实现上述目的，本发明所设计的船用湿汽轮机多工况的叶片除湿优化设计方法如下：

步骤一：基于三次贝塞尔曲线将叶片的叶型参数化表示，确定汽轮机叶型除湿优化设计的设计变量、目标函数、约束条件；

步骤二：以初始叶型参数为中心点，每个设计变量取值范围满足步骤二的约束条件，采用拉丁超立方试验设计方法，建立叶型设计变量的样本矩阵X_P×n，样本矩阵X_P×n的列数为n个设计变量，样本矩阵X_P×n的行数为P组样本，样本矩阵每一行对应一个叶型；

步骤三：任一组设计变量确定一个叶型，根据叶型建立叶栅及流场模型，通过三维流场数值仿真计算方法计算湿蒸汽在叶片组成的叶栅内的流动特性，得到目标值样本矩阵Y _P×2＝[Y₁,Y₂]，该目标值样本矩阵Y的列数为2、行数为P；

步骤四：将设计变量的样本矩阵X_P×n和目标值样本矩阵Y_P×2作为基础数据，基于克里金近似模型建立叶片设计变量与目标函数的代理模型Ψ；

步骤五：任选满足步骤一约束条件的M组设计变量建立叶栅模型，通过三维流场数值仿真计算方法计算湿蒸汽在叶栅内的流动特性的M组目标函数值矩阵；

将这M组设计变量建立叶栅模型带入步骤四中的代理模型Ψ计算目标函数值矩阵，将通过三维流场数值仿真计算方法计算湿蒸汽在叶栅内的流动特性的M组目标函数值矩阵与代理模型Ψ计算的M组目标函数值矩阵进行一一对应比较，若代理模型满足计算精度要求，转至步骤六；否则，返回步骤二，增加样本点数，直至代理模型满足计算精度要求；

步骤六：通过多目标非支配遗传算法对构建的克里金代理模型Ψ进行寻优，根据步骤一中的约束条件直至得到最优目标函数Y_1best,Y_2best,和对应的叶型设计变量最优值，Y_1best为最优的工况一时的叶栅出口湿度，Y_1best为最优的工况二时的叶栅出口湿度。