CN106844839B - 用于优化汽轮机叶片型线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其实是一种优化内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法，本发明通过迭代算法用于优化内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点，将优化的叶片型线在汽轮机叶片中应用。本发明得到的优化方法能使得叶型设计中内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点得到优化，相对于现有技术中未得到优化的叶型，能得到更为光顺平滑的叶型曲线，从而提高汽轮机叶片部件的流体动力学性能，且具有很高的计算效率，因而极富产业价值，兼具计算机辅助设计的优点。

Description

用于优化汽轮机叶片型线的方法
技术领域
本发明涉及一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，适用于汽轮机的动静叶片。
背景技术
汽轮机叶片截面积的轮廓线叫叶片型线，它通常由非均匀有理B样条曲线构成的内弧、背弧以及两端的进汽边、出汽边圆弧组成。汽轮机中的蒸汽在各级叶片通道中完成从热能转化成机械能的整个过程，因此叶片型线对汽轮机通流部分的效率影响极大。
在汽轮机叶片部件的设计中，从流体动力学性能的要求看，其型线的光顺性非常重要。叶片型线多以内、背弧样条曲线拟合点和进、出汽边圆弧圆心坐标及半径的形式存储在型线图纸文件中。因内/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧的连接点处于两条曲线的端点位置，起着连接和过渡两段曲线的作用。由于型线设计手段和数据存储精度的限制，可能引起叶片型线在内/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧的连接点处不连续或者不相切，从而导致叶片型线的不连续和不平滑。
发明内容
本申请的目的是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，优化后的内/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧的连接点更平滑，从而提高汽轮机叶片部件的流体动力学性能，减少能量损失，进而提高汽轮机机组效率。
本发明是一种计算机辅助设计叶型的方法，并利用了计算机的计算能力进行迭代计算。迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对设定的指令或一定步骤进行有限次的重复执行，在每次执行这组指令或这些步骤时，都从变量的原值推出它的一个新值，从而得到接近最优解的近似解。
汽轮机的叶型具体如图1所示，其进/出汽边曲线均由圆弧构成，内弧、背弧均为非均匀有理B样条曲线，进汽边与出汽边曲线分别与内弧和背弧曲线光滑过渡。
具体地，一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，该方法为一种优化内弧样条曲线与进/出汽边圆弧h的连接点的方法，该方法包括：
(1)获得优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点：取内弧样条曲线的一个初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2，计算同时经过此三点的圆，其圆心为C2，半径为R2；当圆心C2与进/出汽边的圆弧圆心C1的距离Dc大于或等于R2时,作线段连接C1与C2与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N；当圆心C2与进/出汽边圆弧圆心C1的距离Dc小于R2时，过C1作方向与矢量C2C1相同的射线，使射线与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N’；点N或点N’即为经过优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点；
(2)迭代步骤：利用上述步骤(1)获得的点N或点N’，作为内弧样条曲线的初始端点，再和相邻的两个拟合点S1、S2，再次执行步骤(1)中的优化方法，直至点N或点N’与上一次迭代计算的内弧样条曲线的初始端点的距离小于设定的目标值，从而得到优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
具体地，一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，该方法进一步用于优化背弧样条曲线与进/出汽边圆弧h的连接点：
(1)获得优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点：取背弧样条曲线的一个初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2，计算同时经过此三点的圆，其圆心为C2，半径为R2；当圆心C2与进/出汽边的圆弧圆心C1的距离Dc大于或等于R2时,作线段连接C1与C2与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N；当圆心C2与进/出汽边圆弧圆心C1的距离Dc小于R2时，过C1作方向与矢量C2C1相同的射线，使射线与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N’；点N或点N’即为经过优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点；
(2)迭代步骤：利用上述步骤(1)获得的点N或点N’，作为背弧样条曲线的初始端点，再和相邻的两个拟合点S1、S2，再次执行步骤(1)中的优化方法，直至点N或点N’与上一次迭代计算的背弧样条曲线的初始端点的距离小于设定的目标值，从而得到优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
当所述的初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2在同一条直线上时，为初始端点S0的x坐标和y坐标各加一随机值,二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1,1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径。
迭代次数至多为10000次。
当迭代次数大于1000次时，为初始端点S0的x坐标和y坐标各加一随机值，二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1,1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径。
所述的叶片型线是动叶片型线或静叶片型线。
所述的叶片型线应用于1MW以上的汽轮机动叶片型线或静叶片型线上。
上述方法的计算速度一般在毫秒级别或更快，在极高效率的情况下瞬间得到接近最优解的近似解。
本发明所述的用于优化汽轮机叶片型线的方法,在汽轮机叶片设计中，应用于1MW以上的汽轮机动叶片型线或静叶片型线上，因而其通用性很强，适用于各种叶型设计，具有很大的产业推广应用价值。
在此基础上，本发明得到的优化方法能使得叶型设计中内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点得到优化，相对于现有技术中未得到优化的叶型，能得到相对而言更为光顺平滑的叶型曲线，从而提高汽轮机叶片部件的流体动力学性能，且具有很高的计算效率，因而极富产业价值，兼具计算机辅助设计的优点。
附图说明
图1为本发明的叶片型线示意图。
图2a为本发明当Dc大于或等于R2时获得优化的内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法的示意图。
图2b为本发明当Dc小于R2时获得优化的内弧/背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明：
图1为本发明的叶片型线示意图，如图1所示，其进/出汽边均由圆弧构成，内弧、背弧均为非均匀有理B样条曲线，进汽边与出汽边曲线分别与内弧和背弧曲线光滑过渡。
按照本发明,提供了一种获得优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法。该方法具体包括以下步骤:取内弧样条曲线的一个初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2，计算同时经过此三点的圆，其圆心为C2，半径为R2；当圆心C2与进/出汽边的圆弧圆心C1的距离Dc大于或等于R2时,如图2a所示，作线段连接C1与C2与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N；当圆心C2与进/出汽边圆弧圆心C1的距离Dc小于R2时，如图2b所示，过C1作方向与矢量C2C1相同的射线，使射线与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N’。点N或点N’即为经过优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点。
利用上述优化内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法获得的点N或点N’，作为内弧样条曲线的初始端点，再次执行上述获得优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法，直至点N或点N’与上一次迭代计算的内弧样条曲线的初始端点的距离小于目标值，得到内弧样条曲线的经过优化的端点，从而得到优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
同理按上述一种获得优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法，来获得优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点及背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
在另一种情况下，当所述的初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2在同一条直线上时，为初始端点S0的X坐标和Y坐标各加一随机值，二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1,1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径；虑及这一情况，是为了避免无法计算导致无法生成圆弧，在两坐标各加入随机值之后，可保证计算顺利进行。
其中，迭代次数至多为10000次；当迭代次数大于1000次时，为初始端点S0的X坐标和Y坐标各加一随机值，二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1,1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径。
所述的叶片型线为动叶片型线或静叶片型线。
所述的叶片型线应用于1MW以上的汽轮机动叶片型线或静叶片型线上。
上述方法的计算速度一般在毫秒级别或更快，在极高效率的情况下瞬间得到接近最优解的近似解。
本发明所述的用于优化汽轮机叶片型线的方法,在汽轮机叶片设计中，应用于1MW以上的汽轮机动叶片型线或静叶片型线上，因而其通用性很强，适用于各种叶型设计，具有很大的产业推广应用价值。

Claims (7)

1.一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，该方法为一种优化内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的方法，该方法包括：
(1)获得优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点：取内弧样条曲线的一个初始端点S0和相邻的两个拟合点S1、S2，计算同时经过此三点的圆，其圆心为C2，半径为R2；当圆心C2与进/出汽边的圆弧圆心C1的距离Dc大于或等于R2时,作线段连接C1与C2与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N；当圆心C2与进/出汽边圆弧圆心C1的距离Dc小于R2时，过C1作方向与矢量C2C1相同的射线，使射线与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N’；点N或点N’即为经过优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点；
(2)迭代步骤：利用上述步骤(1)获得的点N或点N’，作为内弧样条曲线的初始端点，再和相邻的两个拟合点S1、S2，再次执行步骤(1)中的优化方法，直至点N或点N’与上一次迭代计算的内弧样条曲线的初始端点的距离小于设定的目标值，从而得到优化的内弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
2.如权利要求1所述的一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，该方法进一步用于优化背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点：
(1)获得优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点：取背弧样条曲线的一个初始端点S0’和相邻的两个拟合点S1’、S2’，计算同时经过此三点的圆，其圆心为C2’，半径为R2’；当圆心C2’与进/出汽边的圆弧圆心C1的距离Dc’大于或等于R2’时,作线段连接C1与C2’与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N1；当圆心C2’与进/出汽边圆弧圆心C1的距离Dc’小于R2’时，过C1作方向与矢量C2’C1相同的射线，使射线与进/出汽边圆弧延伸的圆交于点N1’；点N1或点N1’即为经过优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点；
(2)迭代步骤：利用上述步骤(1)获得的点N1或点N1’，作为背弧样条曲线的初始端点，再和相邻的两个拟合点S1’、S2’，再次执行步骤(1)中的优化方法，直至点N1或点N1’与上一次迭代计算的背弧样条曲线的初始端点的距离小于设定的目标值，从而得到优化的背弧样条曲线与进/出汽边圆弧H的连接点的叶片型线。
3.如权利要求1或2任一项所述的一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，当所述的初始端点S0/ S0’和相邻的两个拟合点S1/ S1’、S2/ S2’在同一条直线上时，为初始端点S0/ S0’的x坐标和y坐标各加一随机值,二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1, 1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径。
4.如权利要求1或2任一项所述的一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，迭代次数至多为10000次。
5.如权利要求4所述的一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，当迭代次数大于1000次时，为初始端点S0/ S0’的x坐标和y坐标各加一随机值，二随机值相同或不同，随机值的范围为[-1/10·R1, 1/10·R1]，R1为所述进/出汽边圆弧H的半径。
6.如权利要求5所述的一种用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，所述的叶片型线是动叶片型线或静叶片型线。
7.如权利要求1或2任一项所述的用于优化汽轮机叶片型线的方法，其特征在于，所述的叶片型线应用于1MW以上的汽轮机动叶片型线或静叶片型线上。
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