● 摘要
涡轮叶片作为将高温高压燃气能量转换为气流动能和转子机械能的关键部件，工作在高温、高压、高转速的环境下，其工作条件极其恶劣。涡轮叶片的裂纹、折断、掉块等故障既影响发动机性能又危及发动机的安全性与可靠性。因此，涡轮叶片设计在整个发动机的设计过程中占有极其重要的地位，越来越受到设计部门与人员的重视。作为复杂工程产品，涡轮叶片设计过程中涉及到气动、几何、结构、材料、强度、温度等多个相互联系、相互制约的学科。比如：气动性能的改善与温度的升高可以提高其做功能力，但同时又必然使其工作条件更加恶劣。因此，需要用多学科优化设计方法进行涡轮叶片的设计，以达到最优化的目标并满足适当的约束条件。本文包括以下主要研究内容：1. 按照SDOF总体项目要求，应用项目研究中的设计结构矩阵、设计任务单元等概念与方法，考虑到设计人员的分工与设计任务的相互关系，在对传统涡轮叶片设计方法进行改进的基础上，定义了适用于整个项目的涡轮叶片设计流程。按照多学科优化设计问题的定义方法，分别给出了涡轮叶片总体优化设计问题和三维仿真与优化问题的定义。其中，详细论述了涡轮叶片总体优化设计问题的三要素：设计变量、目标函数和约束条件，给出了优化问题的一般表达式。2. 涡轮叶片总体优化设计和三维仿真与优化均属于多维的、高度非线性的优化问题，为了在最短的时间内获得最优的设计解，必须选择适用于非线性问题的算法。由于涡轮叶片三维仿真与优化问题求解时，气动、强度、温度等精确仿真过程过于耗时，优化算法的选择对整个优化流程的影响更加明显。考虑到两个优化问题的相似性，以涡轮叶片总体优化设计问题为研究对象，进行了优化算法的对比研究，并将相对较好的算法应用于涡轮叶片三维仿真与优化问题的求解，计算结果表明算法是适用的。3. 为了避免在iSIGHT中进行多级涡轮叶片总体优化的过程集成、参数设置等工作，使问题的求解简单化，利用精化网格法，开发了多级涡轮叶片总体优化设计程序。应用该程序进行了某型发动机两级涡轮叶片一维气动方案设计，得到的子午流道及气流角参数为三维仿真与优化设计提供了合适的初始设计方案。4. 应用UG软件的参数化建模方法，建立了涡轮叶片榫头和叶冠实体模型的标准件模型库。应用Visual C#与UG/Open进行二次开发，实现了对标准件模型库的自动调用与修改，为整个优化设计流程的自动执行提供了条件。