《軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計（7頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、Journal of Mechanical Strength 2007,29(6): 937?940 軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 OPTIMIZATION DESIGN FOR TURBINE BLADE OF THE AXIAL TURBOCHARGER 1 2 1 侯乃先 李立州 岳珠峰 (1.西北工業(yè)大學 力學與土木建筑學院，西安710072) (2.西北工業(yè)大學航空學院，西安710072) — 1 1 2 HOU NaiXian LI LiZhou YUE ZhuFeng (1. Schoolcf MechanicSCivil Engineeringa

2、nd Architecture NorthwesterrPolytechnical UniversityXi an 710072, China) (2. Schoolof Aviation, NorthwesternPolytechnical University Xi an 710072, China) 摘要 對軸流式渦輪增壓器渦輪葉片進行參數(shù)化建模 ,針對葉片設計提岀一種基于多學科的優(yōu)化方法 ，并建立一個 優(yōu)化平臺。優(yōu)化平臺采用多學科優(yōu)化設計工具 iSIGHT集成NUMECAANSYS以及自編的離心應力分析程序，在氣動、結 構以及振動三個學科內對軸流式增壓器渦輪葉片進行化設計。優(yōu)

3、化的實例表明,這種方法提高了增壓器渦輪的整體性 能，可以應用在葉片設計以及整個增壓器的設計 中。 關鍵詞優(yōu)化設計渦輪葉片氣動結構振動 中圖分類號 TK422 TH122 Abstract The blade of axial turbochargeiwas parameterizednto to a three dimensionamodel, and an optmization design plat form was introducedfor turbochargerturbine blade design. The platformwas based on the iSIGH

4、T softwareand implemeited by NUME CA, ANSYSandcentrfugal stresscodewhich is a fortran programcodedby the authors. This platform canstudy aerodynamicsstructure andvibration of the blade of turbochargesimultaneously.And an illustrationhad beenstudied. The result of optimization showsthatthe overall pe

5、rformance^ the blade is improvedremarkably. The methodcan be usedtothe blade designandto the wholeturbochargeide sign. Key words Optimization design; Turbine blade; Aerodynamics; Structure; Vibration Correspoting author: H OU NaiXian, E mail: hounixian @mail. nwpu. eiu. cn, Te： + 86 29 88495540, F

6、ax: + 86 29 Journal of Mechanical Strength 2007,29(6): #?940 88495540 Manuscriptreceived20060111, in revsed form 20060531. 1引言 柴油機渦輪增壓器通過增壓，提高進氣充量密度， 提高空氣和燃料的混合比，大幅度提高發(fā)動機的輸出 功率,它不僅大大提高了經濟性 ，而且能夠節(jié)約能源， 減輕柴油發(fā)動機排氣污染，減少廢氣中有害成分，降低 發(fā)動機噪音。軸流式渦輪由于效率高被用于目前所有 中型和大型渦輪增壓器上。渦輪增壓器的設計不是一 個簡單的問題，除了要考慮效率外，還要

7、考慮可靠性、 壽命、經濟性等諸多因素。目前國內對渦輪增壓器多 學科優(yōu)化的研究，尚屬于起步 階段，考慮的學科比較 少。如文獻［1］針對車用渦輪增壓器研究了壓氣機葉 輪幾何參數(shù)的優(yōu)化設計方法，其優(yōu)化的目標是提高壓 氣機性能，未涉及多個學科的綜合尋優(yōu)。渦輪葉片是 渦輪增壓器中一個非常重要的部件，渦輪葉片的設計 關系到整個增壓器的效率和壽命，由于渦輪增壓器是 一種高速旋轉的機械，在運行中還常常遇到葉片損壞 事故，因此渦輪葉片的設計必須建立在氣動、 振動以及 結構強度等學科的基礎上，不能只從單個學科對增壓 器渦輪葉片進行優(yōu)化。 優(yōu)化設計是近代先進機械設計技術中的一種方 法,該方法以當代計算機所提供

8、的高速計算能力為工 具,吸收數(shù)學規(guī)劃理論研究的成果 ，使得機械設計的改 進和優(yōu)化在很短的時間內完成［2］。隨著計算機技術的 發(fā)展,人們開始嘗試將多學科的設計綜合在一起進行 協(xié)調優(yōu)化,逐漸發(fā)展了一種多學科優(yōu)化設計 (multidis ciplinary designoptimization, MDO)方法,MDO 是一種進 行復雜工程系統(tǒng)和子系統(tǒng)的設計方法學 ，探索學科之 間相互影響的方法，協(xié)調不同學科設計之間的耦合和 可能遇到的沖突。目前許多結構設計的專家學者都在 Journal of Mechanical Strength 2007,29(6): #?940 Jour

9、nal of Mechanical Strength 2007,29(6): #?940 htip;. hki. Th 20060111收到初稿，20060531收到修改稿。 侯乃先，男 ,1982年6月生,山東郯城人，漢族。碩士研究生，主要從事結構設計與優(yōu)化方面工作。 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 939 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 # 進行MDO的研究，發(fā)表了大量研究論文和報告。本文 對軸流式渦輪增壓器的渦輪葉片進行全三維的優(yōu)化設 計,對渦輪葉片進行參數(shù)化建模，在氣動、結構及振動 三個

10、學科間對渦輪葉片進行優(yōu)化設計 ，將MDO的設計 方法引入到增壓器部件的設計中，為進一步對渦輪增 壓器進行優(yōu)化打下基礎。 2增壓器渦輪葉片的參數(shù)化建模 采用具有連續(xù)三階導數(shù)的五次多項式構造葉片壓 力面和吸力面型線[3],沿葉高定出葉片根部、頂部兩個 截面的葉型后，在葉根和葉尖之間按照線性規(guī)律進行 插值，通過對兩個葉片截面的積疊生成三維渦輪葉片 參數(shù)化模型。建立的參數(shù)化模型如圖 1和圖2。在優(yōu) 化過程中，將兩個葉片截面的流動及幾何參數(shù)作為優(yōu) 化設計變量。 溫嵐代 圖3 葉片附近的溫度分布 Fig. 3 Distributi ons of temperature aro un dbla

11、de 繇壓力/鞘 Static pressure / Pa 200 DOO： 180 000- 220 000 160 000 140 ODO 120 000 100 000 80 000 60 000 圖4葉片附近的壓強分布 Fig. 4 Distributions of pressre aro und blade 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 # Fig. 2 Thethree dimenSonal model of turbine

12、STEP=1 SUB=I USUM (AVG) KS￥S=O DMX=2.S95 SMX = 2.S95 Fig. 1 The three dmensonal model of parameterizecblade NODAL SOLUTION 0 0.643 406 1.287 1.93 2.574 0.32 1 703 0.965 109 1.609 2.252 2.695 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 # 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 # 3渦輪增壓器渦輪葉片的學科分析 (a)

13、 一階振動模態(tài) (a) First order vibration modal 渦輪葉片的各學科分析是優(yōu)化過程實現(xiàn)的前提。 氣動分析在增壓器中是一個重點，本文采用CFD軟件 NUMECA同對渦輪葉片進行氣動分析，采用隱式求解 方法求解平均 雷諾數(shù)的Navier Stokes方程和Spalart Allmaras計算模型。增壓器渦輪葉片流場分析的溫度 分布和壓力分布如圖 3和圖4所示。 渦輪葉片 葉型的 設計，不只是受 氣體動力學的 控制，而且還要考慮葉片應力的大小。作用于葉片 的應力有離心拉伸應力、離心彎曲應力、氣體壓力彎 曲應力和熱應力。通常情況下，離心力的作用是主 要的，為了簡化起見

14、，本文只考慮離心力的影響。 NODAI. SOLUTION STh：P=l SUB-2 FREQ 10 555 USUM (AVG) RSYS 0 DMX=Sr7S4 SMX-3,784 MX 0,840 985 1.682 2.523 3364 0.420 492 1261 2J02 2.943 3.78^ Dun das曾證明，葉根（最高 應力點 下式計算[4] ）的離心應力 可由 c max 式中 2 2 2 rm(1- !) 1+ (AR- 2- r hib r tip C h i na > 1) 2 )3(1- ! ) (1 - !)」

15、 AR = Atip Ahub ideniic」oumal (1) (b)二階振動模態(tài) (b)Second ordervibration modal 圖5渦輪葉片的前兩階振動模態(tài) Fig. 5 First order and secondordervibration modal of blade 在ANSYS中獲得葉片的參數(shù)后，根據上面公式編 制的程序可以求出葉片的離心應力。 統(tǒng)計資料表明，葉片振動引起的損壞是增壓器常 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓

16、器渦輪葉片的優(yōu)化設計 941 (a)等嫡效率 (s) Iseotropic-efikiency (b)離心癥力 (b) CtntritUgal stress 圖7 目標變量的尋優(yōu)過程 Fig. 7 Opti mization procedure of object variable 階頻率約束 (c) 1st frequency constraint ? 1994-2(1 [ I Oiina Journal Electronic Publishitli： HouSCj All ri&hts htlpwnkikflCl 見的損壞形式之一。在運行過程中，葉片上作用著周期

17、 性變化的激振力，當激振力的頻率與葉片的固有頻率 相等或成整數(shù)倍時，葉片會發(fā)生共振，而可能導致葉片 損壞[5]。所以，分析葉片的振動特性是保證渦輪增壓器 可靠性的重要環(huán)節(jié)。在ANSYS中采用Lanczos模態(tài)分 析方法得到葉片固有頻率，增壓器渦輪葉片的前兩階 振動模態(tài)如圖5所示。為提高葉片的抗振強度，應相應 提高葉片的自振頻率：fc ! 5ntc[6,式中fc為一階振 頻，nTc為增壓器轉速(r s)。為了讓葉片具有更好的振 動特性,還要求自振頻率的分散度盡可能的小。 本文采 用前五階固有頻率的約束值[7] i fi = (1+ 0.04i )肓？ 1 i = 1,2, 3,4 其中「

18、為葉片第i階固有頻率。通過約束fi控制葉片 前五階固有頻率為非密頻，仆越小，葉片結構的振動響 應特性越好。 4 優(yōu)化設計的仿真流程 采用iSIGHT多學科設計優(yōu)化平臺，將流場計算軟 件NUMECA及有限元軟件 ANSYS進行集成。優(yōu)化中以 增壓器渦輪葉片的等熵效率、渦輪的扭矩以及離心應 力為目標函數(shù)，以第一階振動頻率以及前 5階固有頻 率的約束值為約束函數(shù)；以葉尖和葉根兩個截面的型 面參數(shù)為設計變量；iSIGHT的集成過程如圖6。 5 尋優(yōu)算法 采用iSIGHT提供 的多島遺傳 算法(multi island genetic algorithm, MIGA)及二次序列規(guī)劃法 (seq

19、ue ntial quadratic program min g,SQP) 相 結合,先對 求解域進行全局尋優(yōu)，再進行局部深層次尋優(yōu)，以得到 最優(yōu)解。 6 優(yōu)化結果分析 經過628步的迭代，得到增壓器渦輪葉片參數(shù)的 最優(yōu)值,通過比較可以看出，增壓器渦輪的等熵效率提 高了 0.102%,渦輪扭矩降低0. 009% ,渦輪的離心應力 降低0.145%,振動強度提高0.602%,葉片自振頻率的 分散度略微降低。軸流式渦輪增壓器的整體性能得到 提高。等熵效率、離心應力以及一階頻率約束的尋優(yōu)過 程如圖7 所示,優(yōu)化前后葉根、葉尖兩個截面上葉型如 圖8所示。 7 計算效率評述 目前大多數(shù)工程問題

20、還是根據已有的設計經驗采 用人工試湊的方法實現(xiàn)，這種方法非常麻煩、 費時。本 文采用MDO方法,優(yōu)化過程完全實現(xiàn)程序化 ，不需要 人工的參與，整個優(yōu)化過程所需的時間僅為 300個小 時。因此這種基于多學科的優(yōu)化設計可以在很短的時 間內實現(xiàn)整體的最優(yōu)，極大提高了計算效率，縮小了部 件的設計周期。此外，本文給出的計算過程是串行計 算，對于更加復雜的優(yōu)化設計 ，可以采用更有效的算 法,實現(xiàn)多學科并行計算，以獲得系統(tǒng)最優(yōu)解。 "輸入設訃克最' JnilLd] value ■. 『 Modify parameter 否心 圖6 三個學科的優(yōu)化流程圖 Fig. 6 Flowchar

21、t of optimization amongthree dis ciplines  憂化前 LuiLi^il proJiLc 憂化引 Tni命I prcitile ⑷葉尖截聞 (b)葉糧截面 I泊 13lade lip i b) Blade lxjoi 圖乜優(yōu)化前后葉片截面上葉型 Fig. 8 Comparison between initial and optimized blade profile 8 結束語 本文建立一個基于iSIGHT的優(yōu)化設計平臺，在氣 動、結構以及振動三個學科內對渦輪增壓器渦輪葉片 進行優(yōu)化設計，優(yōu)化結果表明，該方法改善了渦輪葉 片的整

22、體性能。初步分析表明，對增壓器采用多學科設 計優(yōu)化技術進行設計優(yōu)化，可以較大地提高增壓器的 綜合性能。 參考文獻(References) 1 張 虹，馬朝臣.車用渦輪增壓器壓氣機葉 輪幾何參數(shù)優(yōu)化設計 和性能分析?北京理工大學學報，2005, 25( 1):22?26. ZHANG Hong， MA ChaoChen. Geometric parametersoptimization design and performance analysis in a vehicle turbocharger centrifugal compressor. Transactions of Beij

23、ing Institute of Technology， 2005, 25(1) :22 ~ 26(In Chinese). 2 程耿東，顧元憲，王健.我國機械優(yōu)化研究與 應用的綜述和展 望. 機械強度，1995，17(2) : 68~ 74. CHENG GengDong，GU YuanXian， WANG Jian. A prospective review on research and application of optimal design of mechanical systems in China. Journal of Mechanical Strength， 1995

24、， 17(2): 68 ? 74( In Chinese). 3 馮 進，符達良.渦輪鉆具渦輪葉片造型設計新方法.石油機械， 2000，28(11): 9~ 12. FENG Jin， FU DaLiang. New design method of turb ne blade shape of turbodrill. China Petrolic Eum M achinery， 2000，28(11) : 9 ~ 12 ( In Chinese). 4 Watson N，Janota M S.內燃機渦輪增壓器原 理.北京:中國鐵道 出 版社，1990. 148~ 150. Wats

25、on N， Janota M S. Turbocharing the internal combustion engine. Beijing: China Railway Press，1990. 148?150 (In Chinese). 5 李 冰，朱梅 林，陳曉偉，等.渦輪增壓器葉片的振動特性 分析. 車用發(fā)動機，1999, 4: 28?32. LI Bing， ZHU M eiLin， CHEN XiaoWei， et al. Vibration property analysisof turbocharger blade. Vehicle Engine， 1999，4: 28 ?

26、32( In Chinese). 6 朱大鑫.渦輪增 壓與渦 輪增壓 器.北京:機械工 業(yè)岀版社，1992. 292~ 305. ZHU DaXin. Turbocharging and turbocharger. Beijing: M echanical Industry Press，1992. 292 ?305(In Chinese). ShashishekaraS Talya. Multidisciplinary design optimization procedure for turbo machinery blades and sensitivity analysis tec

27、hnique for aerospaceapplications#Doctor Degree Thesis?. Arizona: Arizona State Univ.，2000. 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 # 第29卷第6期 侯乃先等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設計 943 China Academic Journal Electronic Publishing House. rights reserved, 'kitnci