一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法

1.本发明属于涡轮冷却叶片设计技术领域，特别是一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法。


背景技术：

2.高压涡轮作为燃气轮机的重要热端部件之一，其性能优劣直接影响着燃气轮机的总体性能及服役寿命。由于高压涡轮内部存在着复杂的气热强耦合现象，建立兼顾气动传热性能的高压涡轮叶片多学科设计方法，是高压涡轮叶片性能提升的关键。涡轮叶片气动外形和冷却通道开展参数化建模过程中，需要避免在给定范围内出现不可行的几何形状。特别是当使用代理模型进行优化时，生成的不可行几何将产生错误的信息，从而无法指导整个优化过程，因此要确保冷却通道之间、冷却通道和叶片之间均保持合理距离。在对涡轮叶片的具体的设计过程中，因为兼具冷却系统以及叶片外形，导致设计变量的维度较高，逐一的判断每个变量的范围合理性较为繁琐以及费时。然而，目前尚未有如何快速有效地给出每个变量范围并测试给定范围的有效性的方法。
3.设计变量范围的传统给定方法为手动给定，依赖设计人员经验，在面临高设计变量维度时，逐一手动给定繁琐且易出错。与此同时传统手工给定方法无法检验范围给定的有效性，即在给定范围内无法检验是否会产生不可行几何。基于此，有必要发明一种涡轮叶片冷却系统以及气动外形协同优化时变量范围给定方法，能够快速给定范围并检验范围的有效性，从而提升优化寻优的效率和精度。
4.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种涡轮冷却叶片的平行设计图的生成方法，本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法，包括包括以下步骤，
6.步骤1：对涡轮冷却叶片的设计参数随机设置一个范围，以获得一组给定的设计参数范围；
7.步骤2：在所述给定的设计参数范围中，按第一数量、第一采样方法得到一定数量样本，其中，第一数量所指的是一个大范围的数量，第一数量大于5000以保证充足的样本；其中第一采样方式指的是能够在高维设计空间内生成均匀分布的样本的方法；
8.步骤3：根据步骤2所得样本生成一组平行设计图，其中，平行设计图将所有采样设计放到一张图中；
9.步骤4：观察并判断平行设计图中是否有几何干涉：
10.1)如果有几何干涉现象，则意味着存在一部分设计参数的范围异常，因此，进一步的，通过平行设计图确定涉及的几何干涉现象的所有设计参数，赋值给d1，然后执行下一
步；
11.2)如果没有几何干涉现象，则直接执行下一步；
12.步骤5：在当前的样本中得到指标信息，并将每个指标值的最大值作为输出指标；
13.步骤6：比较输出的最大值与预设阈值，如若小于阈值，则认定给定的设计参数范围合理；如若大于阈值，则确定涉及超过阈值的所有设计参数，赋值给d2；对d1与d2的参数范围进行缩减，其中如果d1与d2中的设计参数有重复，仅缩减一次设计参数范围；
14.步骤7：如步骤4未出现几何干涉现象且步骤6每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则满足要求，将此时的设计参数范围作为最终设计参数范围，并输出；
15.否则，跳至步骤2，并将步骤6的设计参数范围作为步骤2中的给定的设计参数范围，重复执行步骤2至6，直至满足要求，并输出最终设计参数范围。
16.优选的，
17.步骤2中，通过平行设计图找到产生几何干涉的冷却通道参数以及叶片型线参数，所述几何干涉包括叶片型线与内冷通道交叉或内冷通道与内冷通道之间交叉。
18.优选的，
19.步骤3中，所述几何干涉包括叶片型线与内冷通道交叉或内冷通道与内冷通道之间交叉定性判断设计变量范围的合理性。
20.优选的，
21.步骤6中，缩减设计参数范围可以是降低设计参数范围的上界或者增加设计参数范围的下界，也可以是降低参数范围的上界以及增加参数范围的下界。
22.优选的，
23.步骤2之前，所述方法还包括如下步骤：
24.步骤101：在当前的设计参数范围中，按第二数量、第一采样方法得到一定数量样本，其中，第二数量所指的是一个小范围的数量，第二数量小于第一数量；
25.步骤102：基于第二数量的第一采样，生成第二组平行设计图，第二组平行设计图将所有采样设计放到一张图中；
26.步骤103：观察并判断平行设计图中是否有几何干涉：
27.1)如果有几何干涉现象，则意味着存在一部分设计参数的范围异常，因此，进一步的，通过平行设计图确定涉及的几何干涉现象的所有设计参数，赋值给d1，然后执行下一步；
28.2)如果没有几何干涉现象，则直接执行下一步；
29.步骤104：在当前的样本中得到指标信息，并将每个指标值的最大值作为输出指标；
30.步骤105：比较输出的最大值与预设阈值，如若小于阈值，则认定给定的设计参数范围合理；如若大于阈值，则确定涉及超过阈值的所有设计参数，赋值给d2；对d1与d2的参数范围进行缩减，其中如果d1与d2有重复，仅缩减一次设计参数范围；
31.步骤106：如步骤103未出现几何干涉现象且步骤105每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则满足要求，执行步骤2；
32.否则，跳至步骤101，并将步骤105的设计参数范围作为步骤101中当前的设计参数范围，重复执行步骤101至106，直至满足要求，执行步骤2。
33.由此，本发明公开了一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法，该方法中，通过平行设计图能够快速找到产生几何干涉的设计参数，缩减设计参数范围(例如缩减5％)；将涡轮冷却叶片的每个冷却通道之间的距离以及每个冷却通道与叶片之间距离设置为指标并同时对每个指标设置预设阈值，并在样本中计算所述指标，将计算得到所有指标值的极值作为输出指标；比较所述输出指标与预设阈值，如若小于阈值，则认定为合理；如若大于阈值，缩减不合理参数范围(例如缩减5％)。能够发现，本发明还公开了基于迭代的机制，以缩减不合理的参数范围。
34.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述的涡轮冷却叶片的平行设计图的生成方法能够将难以理解的高维设计空间转换为直观的图像形式，以此方便设计人员对抽象数字范围的可视化以及快速确定范围。
附图说明
35.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
36.在附图中：
37.图1是本发明一个实施例中，本方法的流程示意图；
38.图2是本发明一个实施例中，平行设计图对参数范围的可视化示意图；
39.图3是本发明一个实施例中，平行设计图中几何干涉现象示意图；
40.图4是本发明一个实施例中，本方法的流程示意图；
41.图5(a)至图5(b)是本发明一个实施例中，本方法在第一数量的大量样本和第二数量的少量样本情形下的不断迭代示意图，其中，图5(a)少量样本迭代，图5(b)大量样本迭代；
42.附图标记：
43.a：第三个通道的设计空间；
44.b：冷却通道与冷却通道之间产生干涉现象；
45.c：冷却通道与叶片型线之间产生干涉现象；
46.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
47.下面将参照附图1至图5(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
48.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的
准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
49.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
50.为了更好地理解，在一个实施例中，本发明公开了一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法，其特征在于，其包括以下步骤，
51.步骤1：对涡轮冷却叶片的设计参数随机设置一个范围，以获得一组给定的设计参数范围；
52.步骤2：在所述给定的设计参数范围中，按第一数量、第一采样方法得到一定数量样本，其中，第一数量所指的是一个大范围的数量，第一数量大于5000以保证充足的样本；其中第一采样方式指的是能够在高维设计空间内生成均匀分布的样本的方法；
53.步骤3：根据步骤2所得样本生成一组平行设计图，其中，平行设计图将所有采样设计放到一张图中；
54.步骤4：观察并判断平行设计图中是否有几何干涉：
55.1)如果有几何干涉现象，则意味着存在一部分设计参数的范围异常，因此，进一步的，通过平行设计图确定涉及的几何干涉现象的所有设计参数，赋值给d1，然后执行下一步；
56.2)如果没有几何干涉现象，则直接执行下一步；
57.步骤5：在当前的样本中得到指标信息，并将每个指标值的最大值作为输出指标；
58.步骤6：比较输出的最大值与预设阈值，如若小于阈值，则认定给定的设计参数范围合理；如若大于阈值，则确定涉及超过阈值的所有设计参数，赋值给d2；对d1与d2的参数范围缩减5％，其中如果d1与d2有重复，仅缩减一次设计参数范围；
59.例如，d1中包含x，y，z变量，d2中包含x，q，a变量，此时x变量重复；
60.步骤7：如步骤4未出现几何干涉现象且步骤6每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则满足要求，将此时的设计参数范围作为最终设计参数范围，并输出；
61.否则，
62.1)如果步骤4出现几何干涉现象，但步骤6每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则跳至步骤2，并将步骤6的设计参数范围作为步骤2中的给定的设计参数范围，重复执行步骤2至6，直至满足要求，并输出最终设计参数范围；
63.2)如果步骤4出现几何干涉现象，但步骤6至少1个设计参数的最大值超过阈值，则跳至步骤2，并将步骤6的设计参数范围作为步骤2中的给定的设计参数范围，重复执行步骤2至6，直至满足要求，并输出最终设计参数范围；
64.3)如果步骤4未出现几何干涉现象，但步骤6至少1个设计参数的最大值超过阈值，则跳至步骤2，并将步骤6的设计参数范围作为步骤2中的给定的设计参数范围，重复执行步骤2至6，直至满足要求，并输出最终设计参数范围。
65.在一个实施例中，图1示意了本发明所揭示的一种确定涡轮冷却叶片的设计参数范围的方法。
66.在一个实施例中，
67.第一采样方法指的是能够在高维设计空间内生成均匀分布的样本的方法，示例性的，例如蒙特卡洛采样方法以及随机采样方法，而蒙特卡洛采样方法中的拉丁超立方采样自然也属于一种具体的第一采样方法。
68.在一个实施例中，
69.涡轮冷却叶片的设计参数包含冷却叶片的叶片型线的设计参数以及冷却系统的设计参数。
70.在一个实施例中，
71.平行设计图具体指将第一采样方法生成的一定数量样本绘制于一张图中，并且每一个样本的颜色不一致。
72.按照第一采样方法最终所得的平行设计图，意在于通过第一采样方法将难以理解的高维设计空间转换为直观的图像形式，以此方便设计人员对抽象数字范围的可视化以及快速给定范围。例如参见图2中平行设计图对参数范围的可视化示意图。
73.结合附图2、图3所示，在一个实施例中，
74.通过平行设计图确定涉及的几何干涉现象的设计参数的步骤如下：
75.发现冷却通道1与3之间存在几何干涉时，可以将冷却通道1的位置、半径大小以及冷却通道3的位置、半径大小中的一项参数或者所有参数确定为d1。
76.例如参见图2中平行设计图中几何干涉现象，其中涉及的设计参数为和平行设计图中几何干涉相关的设计参数，可以是所有的相关的参数，也可以是其中的一个或者两个。
77.本实施例考虑所有相关设计参数，可以最大程度降低几何干涉现象，但也缩小了设计参数范围。考虑一到两个相关设计参数，则较少参数缩小范围，其他参数范围不变，因此可以最大程度保证参数范围。
78.在一个实施例中，
79.对于步骤5，例如，将叶片(例如，叶片为nasa-c3x型号的叶片)中第一个冷却通道与第三个冷却通道之间的距离以及第二个冷却通道与第三个冷却通道之间的距离设置为两个指标，并设定每个指标的阈值为2mm(需要注意的是，该阈值是为了防止过高结构应力产生)。
80.在对nasa-c3x叶片的设计中，设置3号冷却通道与1号、2号冷却通道的距离d
12
与d
13
为指标，当d
12
与d
13
均大于2m时即判定为合理。阈值2mm是因为避免较高的结构应力产生。
81.在一个实施例中，
82.d
12
与d
13
计算公式如下：
[0083][0084][0085]
式中：
[0086]
(xi，yi)——内冷通道的圆心坐标；
[0087]ri
——内冷通道的半径；
[0088]
i从1取值到3；
[0089]
对所有样本中的设计参数计算上述d
12
以及d
13
指标信息，统计样本中d
12
以及d
13
指标的最大值。
[0090]
在一个实施例中，
[0091]
对每个指标设置阈值时，其中阈值的设置应遵守冷却通道与冷却通道之间的距离间隔大于1mm，以此保证不产生过大的结构应力。
[0092]
在一个实施例中，
[0093]
步骤2中，通过平行设计图找到产生几何干涉的冷却通道参数以及叶片型线参数，所述几何干涉包括叶片型线与内冷通道交叉或内冷通道与内冷通道之间交叉。
[0094]
在一个实施例中，
[0095]
步骤3中，所述几何干涉包括叶片型线与内冷通道交叉或内冷通道与内冷通道之间交叉定性判断设计变量范围的合理性。
[0096]
在一个实施例中，
[0097]
缩减设计参数范围可以是降低设计参数范围的上界或者增加设计参数范围的下界，也可以是降低参数范围的上界以及增加参数范围的下界。
[0098]
在一个实施例中，
[0099]
缩减的范围应为1％-10％，其中大于10％时会使得最终范围过小，小于1％时会使得最终范围过大。
[0100]
在一个实施例中，
[0101]
缩减的范围为5％。
[0102]
近似的理解，5％为最佳缩减范围。
[0103]
在一个实施例中，
[0104]
步骤2之前，所述方法还包括如下步骤：
[0105]
步骤101：在当前的设计参数范围中，按第二数量、第一采样方法得到一定数量样本，其中，第二数量所指的是一个小范围的数量，第二数量小于第一数量；
[0106]
步骤102：基于第二数量的第一采样，生成第二组平行设计图，第二组平行设计图将所有采样设计放到一张图中；
[0107]
步骤103：观察并判断平行设计图中是否有几何干涉：
[0108]
1)如果有几何干涉现象，则意味着存在一部分设计参数的范围异常，因此，进一步的，通过平行设计图确定涉及的几何干涉现象的所有设计参数，赋值给d1，然后执行下一步；
[0109]
2)如果没有几何干涉现象，则直接执行下一步；
[0110]
步骤104：在当前的样本中得到指标信息，并将每个指标值的最大值作为输出指标；
[0111]
步骤105：比较输出的最大值与预设阈值，如若小于阈值，则认定给定的设计参数范围合理；如若大于阈值，则确定涉及超过阈值的所有设计参数，赋值给d2；对d1与d2的参数范围进行缩减，其中如果d1与d2有重复，仅缩减一次设计参数范围；
[0112]
步骤106：如步骤103未出现几何干涉现象且步骤105每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则满足要求，执行步骤2；
[0113]
否则，
[0114]
1)如果步骤103出现几何干涉现象，但步骤105每个设计参数的最大值均未出现超过阈值，则跳至步骤101，并将步骤105的设计参数范围作为步骤101中当前的设计参数范围，重复执行步骤101至106，直至满足要求，执行步骤2；
[0115]
2)如果步骤103出现几何干涉现象，且步骤105至少1个设计参数的最大值超过阈值，则跳至步骤101，并将步骤105的设计参数范围作为步骤101中当前的设计参数范围，重复执行步骤101至106，直至满足要求，执行步骤2；
[0116]
3)如果步骤103未出现几何干涉现象，但步骤105至少1个设计参数的最大值超过阈值，则跳至步骤101，并将步骤105的设计参数范围作为步骤101中当前的设计参数范围，重复执行步骤101至106，直至满足要求，执行步骤2。
[0117]
在一个实施例中，
[0118]
第一数量为10000。
[0119]
在一个实施例中，
[0120]
第二数量的取值范围为80-200。
[0121]
需要特别说明的是，第二数量的采样及其相关步骤可以保证较快的运算。也就是说，本发明中，当联合使用第一数量的采样和第二数量的采样时，由于第二数量小于第一数量，而第一数量用于保证充足的样本，第二数量则是保证较快的运算，此时，两种采样及其相关步骤的联合使用，可以在运算效率和运算结果之间取得平衡。如果只单独使用第一数量的采样及其相关步骤，准确的说，只采用前文所述的步骤1至7，虽然最终依然能够获得想要的运算结果得以确定涡轮冷却叶片的最终设计参数范围，但是用时较长。而第二数量的采样及其相关步骤的介入，准确的说，结合步骤101至106的使用，不仅能够获得想要的运算结果得以确定涡轮冷却叶片的最终设计参数范围，且能够降低时间成本。
[0122]
在一个实施例中，
[0123]
对每个指标设置阈值，具体的，其中阈值的设置应遵守冷却通道与冷却通道之间的距离间隔大于1mm，冷却通道与叶片型线之间距离大于2mm，以此保证不产生过大的结构应力。
[0124]
下面将参考附图并结合nasa-c3x叶片的气动外形参数与冷却通道参数的变量范围给定，以更加详细的实施例来说明本发明。
[0125]
示例性的，nasa-c3x叶片为带有10个径向圆形光滑内冷通道高压燃气涡轮静叶。
[0126]
平行设计图的流程图如图4所示，设计人员首先根据经验设置一个大致范围并结合少量的蒙特卡洛采样，数量设置80(备注，此数量即为前文所述第二数量，其小于第一数量)，生成一组平行设计图；
[0127]
接下来，生成一组平行设计图；
[0128]
通过观察平行设计图中是否有几何干涉现象，判断设计变量范围的合理性，然后对范围进行修改，修改的具体方式为降低范围上界5％；
[0129]
同时，涡轮冷却叶片的冷却通道与冷却通道之间需要保持一定距离，本处为了演示算法，将叶片中第一个冷却通道与第三个冷却通道之间的距离以及第二个冷却通道与第三个冷却通道之间的距离设置为两个指标，并设定每个指标的阈值为2mm(为了防止过高结构应力产生)；
[0130]
在对nasa-c3x叶片的设计中，设置3号冷却通道与1号、2号冷却通道的距离d
12
与d13
为指标，当d
12
与d
13
均大于2m时即判定为合理，指定2mm是因为避免较高的结构应力产生，其中计算公式如下：
[0131][0132][0133]
式中：(xi，yi)——内冷通道的圆心坐标；ri——内冷通道的半径，i从1取值到3；
[0134]
在蒙特卡洛方式采样中的样本中，计算每个设计参数指标信息，将每个设计参数指标值的最大值作为输出指标，通过比较最大值与预设阈值实现设计变量范围合理性的判断，然后降低范围上界5％；
[0135]
然后按前文实施例所描述的迭代步骤以及图1、图4所示意的迭代，直到平行设计图不再出现几何干涉现象以及所有指标都达到预设阈值；
[0136]
在第二数量即少量蒙特卡洛采样得到的定性以及定量结果均合理后，通过增加样本数量，数量设置为5000，再次生成平行设计图，检查平行设计图出现几何干涉现象以及阈值与指标的信息进行再次判断以及变量范围缩减，其中变量范围缩减具体方式为降低范围上界5％；
[0137]
进行迭代直到平行设计图不再出现几何干涉现象以及所有指标都达到预设阈值，最后输出变量范围，从而完成了确定涡轮冷却叶片的设计参数范围。
[0138]
图5(a)至图5(b)和表1分别给出了使用平行设计图校正nasa-c3x叶片设计变量范围过程。如结果所示，平行设计图可以同时显示所有变量范围的合理程度，从而避免分别对每个设计变量进行测试。在经过2次校正后，最终获得了具有合理范围的设计变量。
[0139]
表1平行设计图的定量校正过程
[0140][0141][0142]
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。