径流式液力透平优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102608914A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102608914A(43)申请公布日2012.07.25(21)申请号201110439235.7(22)申请日2011.12.22(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁路28号(72)发明人孙金菊宋鹏王科(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人陆万寿(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书权利要求书2页2页说明书说明书88页页附图附图55页(54)发明名称径流式液力透平优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种径流式液力透平通流部件整机优化设计方法。该设计方法包含了一元热力优化设计，通流部件三维造型方法，以及整机优化平台。其中，优化平台包含四个模块：喷嘴导叶和叶轮叶片参数化、协同进化遗传算法、自适应近似模型、以及CFD自动调用。通过参数化，提取了描述叶轮叶片、喷嘴导叶叶型及安装角变化的特征变量。优化目标是在整机环境下，同时提高液力透平的总效率和膨胀比。优化平台通过下列措施减少计算量，并加速收敛：使用动态采样策略建立、更新近似模型，以较少次数CFD计算，获得足够的预测精度；协同进化算法，将复杂的多变量优化问题分解为多个相对独立却又相互作用的子问题，既保留了原问题的特性，又有效减少了计算量。CN1026894ACN102608914A权利要求书1/2页1.一种径流式液力透平优化设计方法，其特征在于，包含一元热力优化设计方法，通流部件三维造型方法以及整机优化方法；其中，整机优化方法包括如下步骤：喷嘴导叶和叶轮叶片参数化步骤、协同进化遗传算法、自适应的近似模型以及CFD自动调用算法。2.如权利要求1所述径流式液力透平优化设计方法，其特征在于，按照如下步骤：(1)给定流量、进出口工质参数，将一元优化模型与优化算法相结合，考虑各种约束条件，通过编程求解优化问题，确定叶轮进出口直径、速度三角形，为通流部件三维设计打下基础；(2)基于一元优化设计结果，设计通流部件初始形状，包括喷嘴导叶叶型、叶轮计以及蜗壳设计；(3)在整机环境下，对已设计的蜗壳、喷嘴、叶轮等通流部件的流场进行CFD分析，获得初始设计的性能数据，同时分析流动损失；(4)基于通流部件初始形状设计，进行几何形状的参数化并提取优化设计变量；依靠CFD数值研究，通过变量灵敏度分析确定优化变量的范围；优化目标是在整机环境下，同时提高整机的效率以及膨胀。(5)利用试验方法构造实验样本，并用CFD对实验样本进行分析，获得其目标函数值；利用实验样本数据建立近似模型，替代耗时的CFD计算，作为目标函数指导优化进行；(6)利用遗传算法计算若干步，完成对整个设计空间的初步探索；分析遗传算法种群数据，计算变量之间紧密或松散的量化关系；通过变量分组算法，将复杂的多变量优化问题分解为多个相对独立又互相影响的子问题；(7)使用协同进化算法优化，该算法具有处理多变量高度非线性问题的能力；由于是在考虑变量相关性的基础上对原问题进行合理分割，考虑了子问题间的相关性，在最大限度保留原问题特性的基础上，减少了寻优所需的计算量；(8)使用在优化的过程中，使用动态采样策略更新近似模型，自动调用较少次数CFD计算，不断提高模型在潜在最优区域的精度，提高寻优效率；(9)当计算量达到预定最大值时，优化算法结束，获得最优化设计。3.如权利要求2所述径流式液力透平优化设计方法，其特征在于：所述一元热力优化方法，包括如下步骤：(1)一元热力设计使用遗传算法，通过计算机自动完成优化过程，而非传统的依靠不断试凑得出；(2)在优化的过程中，需要工质在通流部件不同截面的物性数据，均通过调用物性子程序完成，不但保证了计算精度，而且，由于物性子程序可计算不同工质，优化程序具有设计不同介质膨胀机的能力。4.如权利要求2所述径流式液力透平优化设计方法，其特征在于：所述整机优化方法，包括如下步骤：(1)为同时考虑膨胀机各个部件对整机流场及性能的影响，优化各个部件工作在最优化状态，引入了协同进化算法，使得优化方法具有处理多变量高度非线性问题的能力；此种算法将一个复杂的多变量优化问题分割为多个相对独立的子问题，并利用遗传算法对每一个子问题进行逐步求解；在考虑变量之间相关性的基础上对问题进行合理分割，在最大限度保留原问题特性的基础上，有效减少寻优所需的计算量；2CN102608914A权利要求书2/2页(2)由于整机优化使用了较多变量，为保证优化在有限计算资源下完成，利用利用克里金近似模型预测目标函数，而不是每次都调用耗时的CFD计算；采用了有自动更新能力的近似模型算法，在仅调用少量CFD计算次数基础上，不断提高模型在潜在最优区域的精度，提高寻优效率；(3)CFD的自动调用通过一