[发明专利]涡轮机械叶尖径向运行间隙概率优化设计方法

说明书

本发明属于机械设计技术领域，具体为一种涡轮机械叶尖径向运行间隙概率优化设计方法。本发明主要步骤包括：将含有大规模参数的叶尖径向运行间隙的多对象概率优化设计问题分解为轮盘、叶片和机匣3个含有少量参数的单对象的径向变形概率优化设计问题；根据叶尖径向间隙与涡轮盘、叶片、机匣、预留间隙之间的关系，将各径向变形的概率分析结果协同起来，进行叶尖径向运行间隙概率优化设计；最终得到优化结果。本发明将分布式协同响应面方法与响应极值法、极值响应面方法的有效结合，解决了多参数的复杂概率优化设计难以解决的问题，降低计算难度，也解决了叶尖径向运行间隙概率优化设计的瞬态响应问题，有效地改善涡轮机械的工作效率和可靠性。

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，具体涉及一种涡轮机械叶尖径向运行间隙(BTRRC)概率优化设计方法。

背景技术

涡轮叶尖径向间隙是指叶尖到机匣内侧的径向距离，由涡轮盘、叶片和机匣的装配关系决定。由于发动机在高温、高压、高转速的恶劣环境下工作，叶尖径向间隙并不完全取决于冷态装配的径向间隙(发动机非运转时的间隙，或设计时预留的间隙)，而是受机械力、热力、气动力、材料属性等方面诸多因素的影响，会随着发动机的工作状态的不同而变化。叶尖径向运行间隙就是指这种随着工作状态(时间)变化的叶尖径向间隙。

叶尖径向运行间隙不但直接影响发动机的工作效率，也直接影响发动机的可靠性和安全性。实测证明，叶尖间隙与叶高之比每减小0.01，将会引起涡轮效率提高约0.8～1.2％，双转子涡扇发动机和涡轴发动机的耗油率分别降低约2％和1.5％，因此，在发动机运转过程中，叶尖径向间隙的减小有利于提高发动机的工作效率、降低燃油消耗率，进而延长空中飞行时间、增加有效载荷和扩大任务飞行半径。

然而，在起飞阶段会出现一个最小间隙(机动飞行阶段也可能出现最小间隙)。如果设计时预留的静态叶尖径向间隙过小，则叶片与机匣之间可能发生碰磨，严重的碰磨将直接导致叶片断裂、机匣损坏等致命故障，危及飞行安全。因此，静态叶尖径向间隙过小，则直接降低发动机的可靠性和安全性。

由此可见：在叶尖径向间隙设计中，涡轮的可靠性和效率是一对不可调和的矛盾。也可以预见，在未来更先进的发动机研制中，由于工作温度更高、工作条件更恶劣和要求效率更高，会使得叶尖间隙可靠性和涡轮工作效率这一矛盾更加突出，需要合理地设计叶尖径向间隙，来有效地权衡协调效率与可靠性之间的关系。传统的确定性设计方法由于没有考虑影响间隙各方面因素的随机性，只能靠留出最小间隙裕度的办法来保证叶尖与机匣之间不发生碰磨，无法在希望减小间隙和不希望碰磨这一矛盾的两个方面做出定量的权衡协调，具有很大的盲目性。事实上，影响航空发动机各构件径向变形的诸多因素都具有明显的随机性，亟需考虑各种随机因素和叶尖与机匣碰摩的可能性，从概率分析的角度研究叶尖径向运行间隙的设计，即概率优化设计。

叶尖径向运行间隙的概率优化设计涉及到多对象(涡轮盘、叶片和机匣)、多学科(传热学、转子动力学等)和多循环的瞬态概率分析，是一种极其复杂的设计分析问题，计算量很大。因此，如何在改善计算精度和效率的前提下，实现叶尖径向运行间隙概率优化设计是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够提高涡轮机械工作效率和可靠性的涡轮机械叶尖径向运行间隙(BTRRC)概率优化设计方法。

本发明的提出的涡轮机械叶尖径向运行间隙概率优化设计方法，具体步骤如下。

S1：利用分布式协同响应面方法思想，将含有大规模参数的叶尖径向运行间隙的多对象概率优化设计问题分解为涡轮盘、叶片和机匣含有少量参数的单对象的径向变形概率优化设计问题，并建立其对应的有限元模型；