关键词：径流叶轮机械;;参数化造型;;NURBS;;优化设计
摘 要：叶片几何造型是叶轮机械设计中的关键步骤,其精度高低是决定叶型能否满足设计和加工要求的重要因素。本文针对离心压气机叶轮与径流涡轮叶片,研究了基于NURBS曲线描述叶轮子午面、中弧线和厚度分布的参数化方法,解决了造型过程中坐标转换及叶型积叠等问题,发展了一种适用于径流式叶轮机械叶片的参数化造型方法并开发出相应的计算机程序,为后续的优化设计提供几何基础。将发展的叶片参数化造型体系、三维CFD计算分析和数值优化进行集成,采用拉丁超立方方法进行试验设计分析,通过构建二阶响应面近似模型并采用自适应模拟退火算法,构建了适用于径流叶轮机械的优化平台,实现了全局最优的气动优化设计。并且本文将该平台应用到具体的径流叶轮之中。以Krain离心叶轮为基准。基于发展的参数化造型体系还原叶型,通过三维数值计算对比分析造型所得叶轮和原叶轮气动性能,验证了参数化造型的有效性;以叶顶和叶根两截面中弧线控制点为设计变量,开展了气动优化设计,采用三维数值计算,详细对比分析优化叶型与原叶型的性能和流场。所研究的整个工况范围内,优化叶型的效率和压比均高于初始叶型。以某一径流式涡轮叶片为例,对其进行参数化造型,并对造型所得叶片和原叶片性能开展数值分析,进一步验证所发展的参数化造型方法的有效性和通用性。基于造型所得叶片,采用建立的设计平台,以叶顶和叶根中弧线控制点为设计变量,开展了叶片气动优化设计,并通过三维数值计算,对比分析了优化前后叶栅性能和流动状况,结果表明,气动优化后,径流涡轮叶片的效率和流量都得以改善。优化结果表明,所研究的径流式叶轮机械气动性能均得到提高,这验证了本文所开发的参数化造型方法的准确性和通用性,并表明了所建立的响应面优化设计体系的有效性。
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