光热汽轮机转子热结构耦合应力预测及优化

摘要

针对太阳能光热汽轮机中低压转子在冷态启动过程中的应力集中问题，通过有限元建模与混合残差编码网络(HRENet)相结合的方法，开展了瞬态热固耦合分析、应力预测及优化研究。首先，建立了转子有限元模型，模拟冷态启动工况。其次，提出一种新型HRENet模型，用于精准预测不同启动参数下转子应力集中点的应力。最后，通过启动优化与结构优化降低转子应力。其中，启动过程的划分和优化是基于初始温度、升速率、初始升温时间和温升率4个参数；结构优化则采用自适应多目标方法对转子中心打孔进行设计。研究结果表明：最大温度应力出现在第1级叶根槽倒圆角位置，这主要源于该区域的高温度梯度；与人工神经网络、卷积神经网络、残差神经网络和Transformer模型相比，HRENet的综合加载等效应力预测平均绝对误差分别降低了65.23%、78.01%、88.23%和85.65%,均方误差降低了82.13%、90.43%、98.94%和96.22%,从而显著提升了预测精度；启动优化结果发现，温升率对应力影响最大，同时启动时间缩短了23.08%,危险点应力降低了5.3%;结构优化后，第1级叶根槽倒圆角应力分别降低了33.33%和28.43%。该研究可为光热汽轮机转子的安全运行与优化设计提供有效方法。

关键词

光热汽轮机转子 / 混合残差编码网络 / 热固耦合分析 / 启动优化 / 结构优化

基金资助

国家自然科学基金资助项目(12372058)