軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、Journal of Mechanical Strength2007,29(6): 937940軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)OPTIMIZATION DESIGN FOR TURBINE BLADEOF THE AXIAL TURBOCHARGER1 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 2HOU NaiXianLI LiZhou YUE ZhuFeng(1. Schoolcf MechanicSCivil Engineeringand Architecture Northwester

2、rPolytechnical UniversityXi an 710072, China)(2. Schoolof Aviation, NorthwesternPolytechnical University Xi an 710072, China)摘要 對(duì)軸流式渦輪增壓器渦輪葉片進(jìn)行參數(shù)化建模,針對(duì)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(duì)軸流式增壓器渦輪葉片進(jìn)行化設(shè)計(jì)。優(yōu)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

3、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 TH122Abstract 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 iSIGHT softwareand implemeited by NUME CA, ANSYSandce

4、ntrfugal 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 performance the blade is improvedremarkably. The m

5、ethodcan be usedtothe blade designandto the wholeturbochargeide sign.Key words Optimization design; Turbine blade; Aerodynamics; Structure; VibrationCorrespoting author: H OU NaiXian, E mail: hounixian mail. nwpu. eiu. cn, Te： + 86 29 88495540, Fax: + 86 29Journal of Mechanical Strength2007,29(6): #

6、94088495540Manuscriptreceived20060111, 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，還要考慮可靠性、 壽命、經(jīng)濟(jì)性等諸多因素。目前國內(nèi)對(duì)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(duì)車用渦輪增壓器研

7、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(duì)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

8、 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)(multidisciplinary 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 Strength2007,29(6): #940Journal of Mechanical Strength2007,29(6): #940htip;.hki. Th20060111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

9、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(duì)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(duì)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)學(xué)科間對(duì)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(duì)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

10、性規(guī)律進(jìn)行 插值，通過對(duì)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 temperaturearo un dblade繇壓力/鞘 Static pressure / Pa200 DOO：180 000-220 000160 000140 ODO120 000100 00080 00060 000圖4葉片附近的壓強(qiáng)分布Fig. 4 Distributions of pressrearo und blade第29卷第6期侯乃先

11、等：軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)#Fig. 2 Thethree dimenSonalmodel of turbineSTEP=1SUB=IUSUM (AVG)KS¥S=ODMX=2.S95SMX = 2.S95Fig. 1 The three dmensonal modelof parameterizecbladeNODAL SOLUTION00.643 4061.2871.932.5740.32 1 7030.965 1091.6092.2522.695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

12、渦輪增壓器渦輪葉片的學(xué)科分析(a) 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(duì)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

13、主 要的，為了簡化起見，本文只考慮離心力的影響。NODAI. SOLUTIONSTh：P=lSUB-2FREQ 10 555USUM (AVG)RSYS 0DMX=Sr7S4SMX-3,784MX0,840 9851.6822.52333640.420 49212612J022.9433.78Dun 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 2rm(1-!)1+ (AR-2-r hib r tipC h i na >1) 2)3(1-! ) (1 -!)AR = Atip Ahubideniicoumal(1)(b)二階振動(dòng)模態(tài)(b)Second

14、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 var

15、iable階頻率約束(c) 1st frequency constraint© 1994-2(1 I OiinaJournal Electronic Publishitli： HouSCj All ri&htshtlpwnkikflCl見的損壞形式之一。在運(yùn)行過程中，葉片上作用著周期 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，

16、應(yīng)相應(yīng) 提高葉片的自振頻率：fc ! 5ntc6,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7ifi = (1+ 0.04i )肓？ 1i = 1,2, 3,4其中為葉片第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

17、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 (seque ntial quadratic program min g,SQP) 相 結(jié)合,先對(duì) 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

18、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(duì)于更加復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以采用更有效的算法,

19、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 Flowchart of optimization amongthree dis ciplines憂化前 LuiLiil proJiLc憂化引 Tni命I prcitile葉尖截聞(b)葉糧截面I泊 13lade lipi 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 profile8 結(jié)束語本文建立一個(gè)基于

20、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(duì)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 片的整體性能。初步分析表明，對(duì)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):2226.ZHANG Hong， MA ChaoChen. Geometric parametersoptimization design and performance analysis in a vehicle

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