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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(shè)計(jì) 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(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安710072) (2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)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(jìn)行參數(shù)化建模 ,針對葉片設(shè)計(jì)提岀一種基于多學(xué)科的優(yōu)化方法 ，并建立一個(gè) 優(yōu)化平臺(tái)。優(yōu)化平臺(tái)采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)工具 iSIGHT集成NUMECAANSYS以及自編的離心應(yīng)力分析程序，在氣動(dòng)、結(jié) 構(gòu)以及振動(dòng)三個(gè)學(xué)科內(nèi)對軸流式增壓器渦輪葉片進(jìn)行化設(shè)計(jì)。優(yōu)

3、化的實(shí)例表明,這種方法提高了增壓器渦輪的整體性 能，可以應(yīng)用在葉片設(shè)計(jì)以及整個(gè)增壓器的設(shè)計(jì) 中。 關(guān)鍵詞優(yōu)化設(shè)計(jì)渦輪葉片氣動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng) 中圖分類號(hào) 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(jī)渦輪增壓器通過增壓，提高進(jìn)氣充量密度， 提高空氣和燃料的混合比，大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出 功率,它不僅大大提高了經(jīng)濟(jì)性 ，而且能夠節(jié)約能源， 減輕柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染，減少廢氣中有害成分，降低 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)不是一 個(gè)簡單的問題，除了要考慮效率外，還要

7、考慮可靠性、 壽命、經(jīng)濟(jì)性等諸多因素。目前國內(nèi)對渦輪增壓器多 學(xué)科優(yōu)化的研究，尚屬于起步 階段，考慮的學(xué)科比較 少。如文獻(xiàn)［1］針對車用渦輪增壓器研究了壓氣機(jī)葉 輪幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)化的目標(biāo)是提高壓 氣機(jī)性能，未涉及多個(gè)學(xué)科的綜合尋優(yōu)。渦輪葉片是 渦輪增壓器中一個(gè)非常重要的部件，渦輪葉片的設(shè)計(jì) 關(guān)系到整個(gè)增壓器的效率和壽命，由于渦輪增壓器是 一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，在運(yùn)行中還常常遇到葉片損壞 事故，因此渦輪葉片的設(shè)計(jì)必須建立在氣動(dòng)、 振動(dòng)以及 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等學(xué)科的基礎(chǔ)上，不能只從單個(gè)學(xué)科對增壓 器渦輪葉片進(jìn)行優(yōu)化。 優(yōu)化設(shè)計(jì)是近代先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)中的一種方 法,該方法以當(dāng)代計(jì)算機(jī)所提供

8、的高速計(jì)算能力為工 具,吸收數(shù)學(xué)規(guī)劃理論研究的成果 ，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的改 進(jìn)和優(yōu)化在很短的時(shí)間內(nèi)完成［2］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展,人們開始嘗試將多學(xué)科的設(shè)計(jì)綜合在一起進(jìn)行 協(xié)調(diào)優(yōu)化,逐漸發(fā)展了一種多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì) (multidis ciplinary designoptimization, MDO)方法,MDO 是一種進(jìn) 行復(fù)雜工程系統(tǒng)和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué) ，探索學(xué)科之 間相互影響的方法，協(xié)調(diào)不同學(xué)科設(shè)計(jì)之間的耦合和 可能遇到的沖突。目前許多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專家學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) # 進(jìn)行MDO的研究，發(fā)表了大量研究論文和報(bào)告。本文 對軸流式渦輪增壓器的渦輪葉片進(jìn)行全三維的優(yōu)化設(shè) 計(jì),對渦輪葉片進(jìn)行參數(shù)化建模，在氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)及振動(dòng) 三個(gè)

10、學(xué)科間對渦輪葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) ，將MDO的設(shè)計(jì) 方法引入到增壓器部件的設(shè)計(jì)中，為進(jìn)一步對渦輪增 壓器進(jìn)行優(yōu)化打下基礎(chǔ)。 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(dǎo)數(shù)的五次多項(xiàng)式構(gòu)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(gè) 截面的葉型后，在葉根和葉尖之間按照線性規(guī)律進(jìn)行 插值，通過對兩個(gè)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(gè)葉片截面的流動(dòng)及幾何參數(shù)作為優(yōu) 化設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì) # 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(shè)計(jì) # 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(shè)計(jì) # 3渦輪增壓器渦輪葉片的學(xué)科分析 (a)

13、 一階振動(dòng)模態(tài) (a) First order vibration modal 渦輪葉片的各學(xué)科分析是優(yōu)化過程實(shí)現(xiàn)的前提。 氣動(dòng)分析在增壓器中是一個(gè)重點(diǎn)，本文采用CFD軟件 NUMECA同對渦輪葉片進(jìn)行氣動(dòng)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(jì)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(shè)計(jì)，不只是受 氣體動(dòng)力學(xué)的 控制，而且還要考慮葉片應(yīng)力的大小。作用于葉片 的應(yīng)力有離心拉伸應(yīng)力、離心彎曲應(yīng)力、氣體壓力彎 曲應(yīng)力和熱應(yīng)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(yīng)力點(diǎn) 下式計(jì)算[4] ）的離心應(yīng)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(dòng)模態(tài) (b)Second ordervibration modal 圖5渦輪葉片的前兩階振動(dòng)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(jù)上面公式編 制的程序可以求出葉片的離心應(yīng)力。 統(tǒng)計(jì)資料表明，葉片振動(dòng)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(shè)計(jì) 941 (a)等嫡效率 (s) Iseotropic-efikiency (b)離心癥力 (b) CtntritUgal stress 圖7 目標(biāo)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(yùn)行過程中，葉片上作用著周期

17、 性變化的激振力，當(dāng)激振力的頻率與葉片的固有頻率 相等或成整數(shù)倍時(shí)，葉片會(huì)發(fā)生共振，而可能導(dǎo)致葉片 損壞[5]。所以，分析葉片的振動(dòng)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(dòng)模態(tài)如圖5所示。為提高葉片的抗振強(qiáng)度，應(yīng)相應(yīng) 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(zhuǎn)速(r s)。為了讓葉片具有更好的振 動(dòng)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(jié)構(gòu)的振動(dòng)響 應(yīng)特性越好。 4 優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真流程 采用iSIGHT多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，將流場計(jì)算軟 件NUMECA及有限元軟件 ANSYS進(jìn)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(yīng) 力為目標(biāo)函數(shù)，以第一階振動(dòng)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(gè)截面的型 面參數(shù)為設(shè)計(jì)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(jié)合,先對 求解域進(jìn)行全局尋優(yōu)，再進(jìn)行局部深層次尋優(yōu)，以得到 最優(yōu)解。 6 優(yōu)化結(jié)果分析 經(jīng)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(yīng)力 降低0.145%,振動(dòng)強(qiáng)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(yīng)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(gè)截面上葉型如 圖8所示。 7 計(jì)算效率評(píng)述 目前大多數(shù)工程問題

20、還是根據(jù)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采 用人工試湊的方法實(shí)現(xiàn)，這種方法非常麻煩、 費(fèi)時(shí)。本 文采用MDO方法,優(yōu)化過程完全實(shí)現(xiàn)程序化 ，不需要 人工的參與，整個(gè)優(yōu)化過程所需的時(shí)間僅為 300個(gè)小 時(shí)。因此這種基于多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在很短的時(shí) 間內(nèi)實(shí)現(xiàn)整體的最優(yōu)，極大提高了計(jì)算效率，縮小了部 件的設(shè)計(jì)周期。此外，本文給出的計(jì)算過程是串行計(jì) 算，對于更加復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計(jì) ，可以采用更有效的算 法,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科并行計(jì)算，以獲得系統(tǒng)最優(yōu)解。 "輸入設(shè)訃克最' JnilLd] value ■. 『 Modify parameter 否心 圖6 三個(gè)學(xué)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(jié)束語 本文建立一個(gè)基于iSIGHT的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，在氣 動(dòng)、結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)三個(gè)學(xué)科內(nèi)對渦輪增壓器渦輪葉片 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)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(xué)科設(shè) 計(jì)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以較大地提高增壓器的 綜合性能。 參考文獻(xiàn)(References) 1 張 虹，馬朝臣.車用渦輪增壓器壓氣機(jī)葉 輪幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 和性能分析?北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005, 25( 1):22?26. ZHANG Hong， MA ChaoChen. Geometric parametersoptimization design and performance analysis in a vehicle turbocharger centrifugal compressor. Transactions of Beij

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