[发明专利]考虑缺陷的大型透平膨胀机叶轮叶片结构优化设计方法

说明书

技术领域

本发明针对大型空分装备中透平膨胀机叶轮，具体涉及一种考虑缺陷的大型透平膨胀机叶轮叶片的结构优化设计方法。

背景技术

随着空分设备的大型化发展，为其配套的大型透平膨胀机的需求也随之增大。大型透平膨胀机在结构设计及动力学特性方面与中小型透平膨胀机存在明显不同。叶轮在大型透平膨胀机中占有重要地位，属于主承力部件，高速旋转同时承受着离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载荷作用。叶轮工作环境十分恶劣，对大型透平膨胀机中叶轮而言，其受力更加复杂，在高速旋转过程中，不仅承受交变载荷和动载荷作用，而且还受到介质腐蚀及粉尘磨损等多种其它因素的共同影响，极易造成叶片表面磨损，导致裂纹等缺陷的产生。这些缺陷微小且不易被察觉，因此实际工作中的叶轮难免会含有缺陷，很难达到毫无缺陷的理想状态。而缺陷的存在易引起应力集中，对叶轮结构，尤其是大型透平膨胀机叶轮设计要求很高，若结构设计不合理，会受缺陷影响严重，强度不够，使得叶轮提前报废，造成整个机械设备出现故障等现象，极易导致爆炸等重大事故的发生，对空分装备的安全运行带来严重的威胁。

目前叶轮结构优化方法主要将优化技术与叶轮流场计算方法相结合，利用数学方法控制设计参数的修改方向，对各种不同参数组合进行计算，在各种组合中找到性能最好的叶轮，得到更符合设计目标的优化结果。但在实际工作中，由于大型透平膨胀机叶轮不可避免的存在缺陷，目前的优化方法就有一定的不足，这些方法多数是将理想无缺陷叶轮模型作为研究对象，根据无缺陷叶轮模型的受力情况确定强度要求，得到叶轮的最终优化结果。由于没有考虑到缺陷因素的影响，叶轮在有缺陷的工作状态下应力数值偏高，实际叶轮缺陷会使内部流动情况发生变化，影响叶顶间隙、进口导叶等因素，致使叶片参数优化方向不符合实际情况，从而造成单纯考虑参数组合的最优解在某些工况下并不能达到预期质量，叶轮性能受到严重的影响。

针对目前方法存在的不足，本发明考虑缺陷因素的影响，直接从缺陷角度出发，粗略的探讨缺陷的作用域，得出设计敏感区域，缩小优化范围。根据敏感区域确定叶片根部为局部优化对象，并借鉴于数值优化的作用，利用基于遗传算法的多目标优化算法对其进行具体的优化。其中通过建立广义回归神经网络响应模型可实现叶片质量和最大等效应力与叶片不同截面厚度之间的非线性映射关系，避免了优化设计过程中大量的结构有限元分析求解，提高了优化设计效率；利用基于遗传算法的多目标优化算法，精英自动保留，得到分布均匀的Pareto最优解，实现叶轮局部结构优化，从而降低缺陷的危害程度，提升叶轮的工作寿命。

发明内容

本发明为解决上述叶轮结构优化设计方法的不足，提出一种考虑缺陷的大型透平膨胀机叶轮叶片结构优化设计方法，包括以下关键步骤：

步骤1：对带缺陷的叶轮模型进行不同载荷应力分析，得到不同载荷对裂纹的影响程度，以作为叶轮简化裂纹参数化试验的受力条件分析；

其中，所述载荷为离心载荷、热载荷及气动载荷，优选为离心载荷及气动载荷。

将带有裂纹的叶轮模型和无缺陷叶轮模型进行以下载荷情况的有限元分析：1)仅考虑离心力的作用；在有限元分析，叶轮采用轴孔固定约束，添加叶轮模型的材料，并指定相应的旋转速度，分析得出离心力作用下的应力分布情况。2)仅考虑气动载荷的作用；在workbench中采用FSI进行叶轮流固耦合分析，将fluent后处理中叶轮流场模拟的叶片压力载荷导入到叶轮模型上，叶片压力单向传递到叶轮的静力分析中，作为表面载荷施加到叶片上，不设定转速，进行静力分析，完成气体载荷的模拟，得到仅考虑气体载荷情况下的应力分布情况。

步骤2：设置简化裂纹一系列参数，每个参数设定足够的样本数，探讨裂纹等缺陷的作用机理，以此确定叶轮对裂纹的敏感区域；

其中，所述参数长度、宽度、深度及分布位置。

步骤3：简化裂纹参数化试验表明裂纹深度与分布形式对叶轮的强度影响较大，主要敏感区域为叶根附近，以减小裂纹处应力集中为出发点，确定叶片截面厚度为叶轮局部优化对象；

步骤4：设定叶片不同截面厚度为设计变量，并规定其变化范围，选取在相同的载荷条件下无缺陷叶轮的最大等效应力数值为约束条件,所受的最大等效应力及质量为目标函数对叶轮进行局部优化；

步骤5：输出优化结果，利用有限元校核验证，确定具体优化参数数值；

步骤4包括以下具体过程：

a.建立广义回归神经网络响应模型

1)计算隐含层神经元径向基函数中心和神经元阈值