轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计

轴流式水轮机叶片优化设计学科名称：水利水电工程论文作者：刘虎签名：指导老师：罗兴锜（教授）签名：郑小波（讲师）签名：答辩日期：摘要随着计算流体力学的迅速发展，设计技术的不断进步，对水力机械的综合性能提出了越来越高的要求，传统的设计方法已满足不了发展的需要，优化设计和三维反问题计算也愈来愈受到重视，逐渐成为主流的转轮设计方法。

因此，对遗传算法和三维反问题设计方法进行结合具有很高的实用价值。

本文提出了一种结合准三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮优化设计方法。

即在对轴流式水轮机转轮叶片进行准三维反问题设计的基础上，以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标的小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片。

通过对传统方法和本文采用的小生境优化算法结果的对比，由于此方法结合了准三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性，以及小生境遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性，所以能得到比传统方法更为理想的转轮叶片。

本文的工作主要包括两方面：首先应用准三维反问题方法设计初始叶片，之后在得到的初始叶片上取出六个等距圆柱断面，其次对各断面进行小生境遗传算法优化设计，再对优化后的断面在CAD软件中造型得到新的优化后的叶片，从而达到叶片优化设计的目的。

这两部分的工作都是应用FORTRAN语言编程实现的。

最后利用CFD软件对初始叶片和优化后的叶片进行流场分析与对比。

本文将该方法应用于ZZ440叶片的优化设计，经过对比优化前后的叶片的性能，最后的计算结果体现了本文应用小生境遗传算法的有效性。

关键词：准三维设计，小生境遗传算法，多目标优化，轴流式水轮机，叶片本研究得到国家自然科学基金项目(90410019/50379044)；教育部高等学校博士学科点专项基金项目(20040700009)和陕西省教育厅专项科研计划项目(05JK264)的资助。

Optimal Design of Kaplan Turbine Runner BladeSpecialty: Hydro-electric engineeringCandidate: Liu Hu S ignature:Advisor: Luo xingqi professor Signature:Zheng xiaobo lecturer S ignature:Argument date:AbstractAlong with the development of hydrodynamic and hydraulic machine design methods, people require higher over all efficiency turbine. Incompetent traditional methods are gradually off the stage; new three dimensional inverse problem design methods are becoming more and more popular. In this dissertation we can see that the combination of the genetic algorithm and three-dimensional inverse problem design method will obtain better results.In this dissertation an optimal design method，based on genetic algorithm and semi-three-dimensional inverse problem design method，has been used to improve the design of a Kaplan turbine blade. This method is applied to the design of runner geometry，considering the interaction between runner blades and flow field. It also has the advantage of niche genetic algorithm in solving multi-objective problems. Hence， by using this optimal design method we can obtain better runner blade compare to traditional design method.We first used the semi-three-dimensional inverse problem design method to get initial blade, then used niche genetic algorithm to optimize the initial blade, thus got the optimized blade. This process was achieved by FORTRAN language and CAD software.This method has been used to optimize ZZ440 runner blade, the results showed that the runner’s cavitation and energy performance have been optimized, hence proved the effectiveness of this method.key words: quasi-three-dimensional design, niche genetic algorithm, multi-objective optimization, Kaplan turbine, bladeProject supported by the National Natural Science Foundation of China (90410019), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20040700009) and Specialized Research Plan in The Education Department of Shanxi Province of China (05JK264).目录1 绪论 (1)1.1论文的研究意义 (1)1.2轴流式水轮机转轮叶片设计方法的研究 (1)1.2.1 轴流式水轮机设计理论的发展过程 (1)1.2.2 轴流式水轮机转轮叶片传统设计方法 (2)1.2.2.1 升力法 (2)1.2.2.2 保角变换法 (2)1.2.3轴流式水轮机叶片现代设计方法 (3)1.2.3.1奇点分布法 (3)1.2.3.2 当量源法 (3)1.2.3.3 正反问题迭代法 (4)1.2.3.4三维设计方法 (4)1.3轴流式水轮机转轮叶片优化设计方法的研究 (5)1.3.1 优化设计方法的发展过程 (6)1.3.2 遗传算法特点简述 (6)1.3.3 遗传算法应用领域 (8)1.4本文的主要工作 (9)2 遗传算法概述 (10)2.1遗传算法的特点 (10)2.2遗传算法的原理和方法 (12)2.2.1遗传算法的基本原理 (12)2.2.2标准遗传算法的具体操作方法 (13)2.2.3标准遗传算法的改进 (15)2.2.3.1实数编码技术 (15)2.2.3.2排名选择机制 (16)2.2.3.3优选技术 (16)2.3多目标优化的基本概念和方法 (17)2.4本文所采用小生境遗传算法（NGA）的操作过程 (20)3 三维反问题遗传算法的优化模型 (22)3.1准三维反问题设计方法数学模型 (22)3.1.1平均S2m流面的流动方程 (22)3.1.2 S2m流面的反问题计算模型 (24)i3.2遗传算法优化模型的建立 (25)3.2.1 转轮叶片优化模型 (25)3.2.2约束条件 (26)3.2.3多目标处理方法 (27)3.2.4气蚀系数的计算 (28)3.2.5叶栅损失系数的计算 (28)4 程序设计及编制 (30)4.1轴流式水轮机叶片三维反问题设计程序流程 (30)4.1.1 网格计算模块 (31)4.1.1.1 网格划分 (32)4.1.1.2系数计算 (33)4.1.2 准三维模块 (35)4.2遗传算法优化总程序流程图 (37)4.2.1遗传算法优化程序流程图 (38)4.2.2边界元计算流程图 (42)4.2.3边界层计算流程图 (42)5 算例分析 (44)5.1准三维方法设计出的初始叶片 (44)5.2小生境遗传算法对初始叶片的优化结果 (46)5.3结果分析 (50)6 结论 (51)致谢 (52)参考文献 (53)ii第一章 绪论1 绪论1.1 论文的研究意义转轮是水轮机的核心部件，转轮设计的好坏直接关系到水轮机效率的高低、水轮机运行的稳定性、以及水轮机的抗空化性能。

涡轮机叶片的设计和优化研究涡轮机是一种常见的动力机械，它主要通过燃烧燃料产生高温高压气体，然后将气体经过涡轮机叶片推动叶轮转动，最终驱动机械设备工作。

涡轮机的性能直接关系到机械设备的输出功率，而叶片作为涡轮机的核心部件之一，对涡轮机的性能有着至关重要的作用。

因此，涡轮机叶片的设计和优化研究一直是热门的研究领域。

本文将对涡轮机叶片的设计和优化研究进行详述。

一、涡轮机叶片的基本形式和分类涡轮机叶片是涡轮机的关键部件，它们负责接受高速气体流入口的高温高压气体，然后通过叶片的曲线形状和数量设计使气体的动能转换为轮毂的旋转能量，从而输出涡轮机的功率。

叶片的设计需要考虑到多种因素，如气体的流动性质、力学受力特点和材料的选择等。

根据叶片的形式和功能，涡轮机叶片可以分为多种类型。

例如，从叶片的用途来看，可分为导叶叶片、固定叶叶片和动叶叶片；从叶片的模式来看，可分为轴对称和非轴对称两种形式；从叶片的数量来看，可分为单排和双排叶片等几种形式。

二、涡轮机叶片的设计原理和方法涡轮机叶片的设计要从多方面考虑，包括叶片的数量、曲线形状、厚度、材质和冷却等方面。

在设计过程中，还需要结合涡轮机的工况参数进行优化，使涡轮机叶片可以达到最佳的性能。

首先，涡轮机叶片的数量和排列方式要根据涡轮机的流量和压降等参数进行设计。

一般情况下，叶子数量多的涡轮机流量大、压降低、效率高，但也会带来更高的制造成本。

而叶片数量少的涡轮机则可以减小制造成本，但是其流量和压降等参数也会受到影响。

因此，需要根据具体的情况选择合适的叶片数量和排列方式。

其次，涡轮机叶片的曲线形状是影响涡轮机性能的重要因素之一。

一般情况下，叶片的曲线形状需要根据气体流动性质和叶片材料等因素进行优化设计。

在叶片的设计过程中，需要采用流场数值模拟等技术进行仿真分析，以得到最优的叶片曲线。

另外，涡轮机叶片的厚度和材质也是需要考虑的因素之一。

涡轮机叶片的厚度一般采用变化的方式，以在不同受力部分得到最优的受力状态。

航空发动机涡轮叶片的优化设计与制造航空发动机作为现代航空领域的核心装备，对其性能的要求越来越高。

而发动机的关键部件之一——涡轮叶片的优化设计与制造是影响发动机性能的重要因素之一。

本文将探讨航空发动机涡轮叶片优化设计与制造的相关问题，并分析目前的技术发展趋势。

一、涡轮叶片的功能及挑战作为航空发动机中转子部分的关键组成部分，涡轮叶片扮演着转化热能为动能的重要角色。

涡轮叶片必须具备良好的气动性能、耐高温、高强度和高疲劳寿命。

然而，由于涡轮叶片所处的高温高速环境，其设计与制造面临着一系列挑战。

首先，涡轮叶片需要具备较高的强度和刚度，以承受来自燃气的冲击和离心力。

同时，叶片还必须能够适应温度梯度造成的热应变，以防止由于热膨胀而导致的应力集中和热裂纹的产生。

其次，涡轮叶片在高速旋转过程中会遇到高速气流的冲击，这会导致叶片表面产生强烈的冲刷和磨损。

因此，在涡轮叶片的设计中，需要考虑气动阻力、流量损失和冲刷磨损的平衡。

最后，涡轮叶片的制造过程也是一个复杂而精细的工艺。

涡轮叶片的制造必须具备高精度、高可靠性和高一致性，以确保叶片的性能和质量。

二、涡轮叶片的优化设计为了克服涡轮叶片设计中的挑战，科学家和工程师采用了各种方法和技术进行优化设计。

首先，通过使用先进的材料和工艺，可以提高涡轮叶片的强度和耐热性能。

新材料如镍基合金和热喷涂技术等的应用，使得叶片能够在高温环境下保持相对稳定的性能。

其次，利用计算流体动力学（CFD）和计算机辅助设计（CAD）等先进技术，可以对涡轮叶片的气动性能进行精确的模拟和优化。

通过对流动分析和叶片表面形状的调整，可以减小气动阻力、提高流量效率，并减少叶片表面的冲刷磨损。

另外，采用拓扑优化和结构优化技术，可以在保证叶片强度的前提下，减轻叶片的质量。

通过在关键部位增加材料的厚度或者添加结构支撑，可以实现结构的优化和质量的降低。

这既可以提高叶片的振动特性，又能够延长叶片的寿命。

三、涡轮叶片的制造技术涡轮叶片的制造技术一直在不断发展和创新。

涡轮增压器的设计与优化涡轮增压器是一种利用废气能量来驱动发动机提高性能的设备。

它是汽车和其他一些设备领域中的关键技术。

随着科技的不断发展，涡轮增压器的设计和优化也得到了很大的改进和进步。

本文将深入探讨涡轮增压器的设计与优化的相关问题。

一、涡轮增压原理涡轮增压器是通过废气驱动涡轮叶片旋转进而带动压气机压缩进气量，从而使更多的空气进入气缸燃烧，提高发动机的输出功率。

一般来说，涡轮增压器分为单涡轮和双涡轮两种类型。

单涡轮是指只有一组涡轮叶片对应一个压缩器；而双涡轮则是两组叶轮对应两个压缩器，这种类型的涡轮增压器通常应用于大功率的发动机上。

二、涡轮增压器的设计要点涡轮增压器的有效性与其设计的良好程度密切相关。

涡轮叶片的数量和形状以及压缩器的直径、长度等参数都将对发动机的动力性能产生影响。

设计涡轮增压器要遵循以下几个要点：1、适当的涡轮叶片数量和形状涡轮叶片数量和形状的设计是决定增压器性能的关键。

叶片数量和形状确定后，涡轮叶片的进出口速度不同。

进口处的速度较快，出口处的速度要慢一些，通过这个速度差异的变化来驱动压缩器。

涡轮叶片的数量通常为12-14片，更多的叶片会增加摩擦损失，降低转速。

一般情况下，设计师会根据具体情况来确定叶片的数量和形状。

2、合理的涡轮直径涡轮直径也是涡轮增压器设计的一个重要因素。

直径越大，进出气速度越慢，并且涡轮压缩比会降低。

直径太小，容易造成涡轮的转速过高，从而造成过热和损坏的风险。

设计师需要根据所使用的引擎的需求，来合理地选择涡轮直径。

3、压缩器的设计压缩器的设计非常重要，直接影响增压器的性能。

压缩器的直径、长度、进口和出口截面积都需要进行合理的设计，以保证压缩空气的量和压缩比的稳定性。

此外，适当的进口空气滤清器可以保证增压器的长期稳定运转。

三、涡轮增压器的优化涡轮增压器的性能需经过一系列的优化才能更好地发挥。

涡轮增压器的优化主要包括以下方面：1、涡轮几何形状的优化涡轮几何形状的优化可以通过计算机辅助设计（CAD）来完成。

设计技术改进复合轴流增压产品设计设计技术改进复合轴流增压产品设计复合轴流增压产品是一种用于提高汽车发动机功率和燃烧效率的关键技术。

然而，现有的设计可能存在一些问题，如效率低、体积大、噪音高等。

为了改进这些问题，下面将提供一种逐步思考的方法来改进复合轴流增压产品设计。

第一步：分析现有产品的问题首先，需要对现有的复合轴流增压产品进行分析，找出存在的问题。

比如，可以通过实地观察和测试来确定产品的失效点和性能瓶颈。

一些常见的问题可能包括效率不高、噪音过大、体积过大等。

第二步：优化叶轮设计复合轴流增压产品的叶轮是关键组成部分，直接影响其增压效率。

因此，需要优化叶轮的设计。

首先，可以通过计算流体力学模拟来确定最佳的叶轮形状和尺寸。

其次，可以尝试使用先进的材料和制造工艺来提高叶轮的强度和耐磨性。

最后，还可以通过调整叶轮的叶片角度和数量等参数来进一步提高增压效率。

第三步：降低噪音水平噪音是复合轴流增压产品常见的问题之一，需要采取措施来降低噪音水平。

一种方法是通过改进叶轮和壳体的结构来减少噪音产生的源头。

另外，可以采用隔音材料来包裹叶轮和壳体，减少噪音的传播。

此外，还可以通过优化产品的气流通道设计来减少噪音的产生。

第四步：减小产品体积复合轴流增压产品通常相对较大，占用了宝贵的发动机空间。

为了减小产品的体积，需要优化其结构设计。

可以考虑使用轻质材料来替代传统材料，如使用铝合金代替钢材。

另外，可以通过整合不同的功能模块来减少产品的体积。

例如，可以将增压器与冷却器和排气系统集成在一起，以减少总体积。

第五步：提高产品效率复合轴流增压产品的效率直接影响其性能和燃烧效率。

为了提高产品的效率，可以考虑采用变频调速技术，根据发动机负荷的变化来调整增压器的转速和输出。

此外，还可以优化增压器与发动机之间的匹配性，以最大限度地利用废气能量。

综上所述，通过逐步思考和改进复合轴流增压产品的设计，可以解决现有产品存在的问题，提高产品的性能和效率。

航空发动机涡轮叶片结构的优化设计航空发动机是飞机的核心部件，其正常运转对于飞机的安全至关重要。

涡轮叶片作为发动机的核心部分之一，直接影响着发动机的效率、稳定性和寿命。

因此，涡轮叶片的优化设计是航空发动机研发中的重要课题之一。

涡轮叶片的功能主要是将高温高压的高速气流转化成旋转动能，并将旋转动能传递给涡轮轴。

因此，叶片的材料必须具有高温、高强等特性，同时还要具有良好的氧化、耐腐蚀和疲劳等耐久性。

为了满足这些要求，涡轮叶片通常采用高温合金材料制成。

除了材料的选择外，涡轮叶片的结构设计对于发动机的性能和寿命也有着至关重要的影响。

涡轮叶片的结构主要包括叶片的几何形状、表面处理和冷却等方面。

以下将分别从这三个方面探讨涡轮叶片的优化设计。

一、几何形状的优化涡轮叶片的几何形状对于发动机的效率和性能有着至关重要的影响。

过于粗大的叶片会增加通气阻力，降低发动机效率；而过于细小的叶片则会因受热量不足而易于断裂。

因此，设计中需在安全基础上追求最大的效率。

在几何形状的优化方面，一种常用的方法是采用空气动力学设计理论进行计算和优化。

该方法将叶片设计为具有流线型的几何形状，在飞行过程中能够有效地减小阻力和损耗，提高发动机的效率。

此外，还可以采用数值模拟和流场分析等方法进行叶片几何形状的优化。

数值模拟可以快速计算出不同叶片形状下的气动特性，流场分析可以帮助工程师更直观地了解气流在叶片表面的变化规律，进而对叶片进行优化设计。

二、表面处理的优化对于涡轮叶片来说，表面处理是保证其使用寿命和效率的关键。

表面处理通常包括氧化、电子束喷涂和高速切削等技术。

氧化技术是指在叶片表面形成一层氧化膜，其主要作用是增强叶片的耐热和抗腐蚀能力。

电子束喷涂则是将高温合金材料喷涂在叶片表面形成一层密封的金属涂层，能够有效地减小叶片表面的磨损和氧化，延长其使用寿命。

而高速切削技术则是利用高速刀具对叶片表面进行微小切削，以提高其表面光洁度和粗糙度，从而减小形成的气动阻力。

航空发动机涡轮叶片的气动优化设计航空发动机是现代飞行器的核心动力系统，涡轮叶片是发动机中最重要的零部件之一。

它们承受着高温、高压和高速气流的冲击，对于发动机的性能和可靠性起着至关重要的作用。

因此，对于涡轮叶片的气动优化设计显得十分关键。

首先，为了了解涡轮叶片的气动特性，在设计过程中需要运用流体力学和数值模拟等工具进行分析。

通过对气流的流动速度、温度以及压力场的分布进行测量和仿真，可以获得涡轮叶片表面的压力分布、速度矢量和湍流特性等相关信息。

这些数据可以帮助工程师更好地理解叶片受力情况，从而进行优化设计。

其次，在涡轮叶片气动优化设计中，需要考虑的主要因素包括叶片轮廓、叶片修型和叶片表面处理等。

叶片的轮廓设计是非常关键的一步，它直接影响着气流在叶片上的流动速度和压力分布。

通过优化叶片的形状和曲率，可以减小气流在叶片上的湍流流动及分离现象，从而提高涡轮的效率和性能。

叶片的修型也是非常重要的一环。

修型主要包括叶片中心线的弯曲程度、叶尖的修正和外缘控制等。

通过合理的修型设计，可以减小叶片的漏气和湍流流动，提高涡轮的流量系数和扭力矩。

叶片表面处理是涡轮叶片气动优化设计中的另一个关键环节。

叶片表面的湍流压降和皮摩擦阻力对涡轮的性能和效率有着重要影响。

为了减小叶片表面的湍流损失，可以采用各种表面处理技术，例如叶片表面涂层、表面微纳结构和光滑涂层等。

这些处理方法可以有效地降低表面摩擦阻力和湍流压降，提高涡轮的效率。

此外，涡轮叶片气动优化设计中还需要考虑到多种综合因素，例如叶片材料的选择、叶片结构的刚度和强度以及制造工艺等。

不同的材料和结构参数对涡轮叶片的气动性能和可靠性有着不同的影响。

因此，在设计过程中需要综合考虑这些因素，确保叶片的稳定性和耐久性。

综上所述，航空发动机涡轮叶片的气动优化设计是一项十分复杂和关键的工作。

通过运用流体力学和数值模拟等工具进行分析，优化叶片的轮廓、修型和表面处理等，可以提高涡轮的效率和性能。