1、JournalofMechanicalStrength2007,29(6):937940軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優化設計󰀁OPTIMIZATIONDESIGNFORTURBINEBLADEOFTHEAXIALTURBOCHARGER侯乃先󰀁󰀁󰀁李立州󰀁󰀁岳珠峰2(1.西北工業大學力學與土木建筑學院,西安710072)(2.西北工業大學航空學院,西安710072)HOUNaiXian󰀁LILiZhou󰀁YUEZhuFeng2(1.SchoolofMechanicsCi

2、vilEngineeringandArchitecture,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi󰀂an710072,China)(2.SchoolofAviation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi󰀂an710072,China)摘要󰀁對軸流式渦輪增壓器渦輪葉片進行參數化建模,針對葉片設計提出一種基于多學科的優化方法,并建立一個優化平臺。優化平臺采用多學科優化設計工具iSIGHT集成NUMECA、ANSYS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

3、內對軸流式增壓器渦輪葉片進行化設計。優化的實例表明,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󰀁優化設計󰀁渦輪葉片󰀁氣動󰀁結構󰀁振動中圖分類號󰀁TK422󰀁TH122Abstract󰀁Thebladeofaxialturbochargerwasparameterizedintotoathreedimensionalmodel,andanoptimizationdesignplat󰀁formwasintroduc

4、edforturbochargerturbinebladedesign.TheplatformwasbasedontheiSIGHTsoftwareandimplementedbyNUME󰀁CA,ANSYSandcentrifugalstresscodewhichisafortranprogramcodedbytheauthors.Thisplatformcanstudyaerodynamics,structureandvibrationofthebladeofturbochargersimultaneously.Andanillustrationhadbeenstudied.

5、Theresultofoptimizationshowsthattheoverallperformanceofthebladeisimprovedremarkably.Themethodcanbeusedtothebladedesignandtothewholeturbochargerde󰀁sign.Keywords󰀁Optimizationdesign;Turbineblade;Aerodynamics;Structure;VibrationCorrespondingauthor:HOUNaiXian,E󰀁mail:hounaixian,Tel

6、:+86󰀁29󰀁88495540,Fax:+86󰀁29󰀁88495540Manuscriptreceived20060111,inrevisedform20060531.1󰀁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,大幅度提高發動機的輸出功率,它不僅大大提高了經濟性,而且能夠節約能源,減輕柴油發動機排氣污染,減少廢氣中有害成分,降低發動機噪音。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,還要考慮可靠性、壽命、經濟性等諸

7、多因素。目前國內對渦輪增壓器多學科優化的研究,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的優化設計方法,其優化的目標是提高壓氣機性能,未涉及多個學科的綜合尋優。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化。優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的高速計算能力為工具,吸收數學規劃理論研究的成果,使得機械設計的改進

8、和優化在很短的時間內完成。隨著計算機技術的發展,人們開始嘗試將多學科的設計綜合在一起進行協調優化,逐漸發展了一種多學科優化設計(multidis󰀁ciplinarydesignoptimization,MDO)方法,MDO是一種進行復雜工程系統和子系統的設計方法學,探索學科之間相互影響的方法,協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2󰀁20060111收到初稿,20060531收到修改稿。,󰀁938機󰀁󰀁械󰀁󰀁強󰀁󰀁度

9、2007年󰀁進行MDO的研究,發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化設計,對渦輪葉片進行參數化建模,在氣動、結構及振動三個學科間對渦輪葉片進行優化設計,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化打下基礎。2󰀁增壓器渦輪葉片的參數化建模采用具有連續三階導數的五次多項式構造葉片壓3力面和吸力面型線,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化模型。建立的參數化模型如圖1和圖2。在優化過程中,將兩個葉片截面的流動及幾何參數

10、作為優化設計變量。󰀁圖3󰀁葉片附近的溫度分布aroundblade圖4󰀁葉片附近的壓強分布aroundbladeFig.3󰀁Distributionsoftemperature󰀁󰀁Fig.4󰀁Distributionsofpressure圖1󰀁參數化渦輪葉片全三維模型ofparameterizedblade圖2󰀁三維實心渦輪模型modelofturbine(a)一階振動模態(a)First󰀁ordervibrationmodalFig.

11、1󰀁Thethreedimensionalmodel󰀁󰀁Fig.2󰀁Thethreedimensional3󰀁渦輪增壓器渦輪葉片的學科分析渦輪葉片的各學科分析是優化過程實現的前提。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

12、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,本文只考慮離心力的影響。Dundas曾證明,葉根(最高應力點)的離心應力可由下式計算󰀁cmax43(b)二階振動模態(b)Second󰀁ordervibrationmodal圖5󰀁渦輪葉片的前兩階振動模態Fig.5󰀁First󰀁orderandsecond󰀁ordervibrationmodalofblade󰀂 rm(1-!)=1+(AR-1)3(1

13、-!)(1-!)3222(1)在ANSYS中獲得葉片的參數后,根據上面公式編制的程序可以求出葉片的離心應力。,󰀁󰀁brtip󰀁󰀁=Ahub󰀁第29卷第6期侯乃先等:軸流式渦輪增壓器渦輪葉片的優化設計939󰀁見的損壞形式之一。在運行過程中,葉片上作用著周期性變化的激振力,當激振力的頻率與葉片的固有頻率相等或成整數倍時,葉片會發生共振,而可能導致葉片損壞。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節。在ANSYS中采用Lanczos模態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

14、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!5nTC65最優值,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過程如圖7所示,優化前后葉根、葉尖兩個截面上葉型如圖8所示。,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7用前五階固有頻率的約束值fi=(1+0.04i)i1𘀀

15、1;󰀁󰀁i=1,2,3,4i+17󰀁計算效率評述目前大多數工程問題還是根據已有的設計經驗采用人工試湊的方法實現,這種方法非常麻煩、費時。本文采用MDO方法,優化過程完全實現程序化,不需要人工的參與,整個優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化設計可以在很短的時間內實現整體的最優,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,對于更加復雜的優化設計,可以采用更有效的算法,實現多學科并行計算,以獲得系統最優解。其中 i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,fi越小,葉片結

16、構的振動響應特性越好。4󰀁優化設計的仿真流程󰀁󰀁采用iSIGHT多學科設計優化平臺,將流場計算軟件NUMECA及有限元軟件ANSYS進行集成。優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,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;以葉尖和葉根兩個截面的型面參數為設計變量;iSIGHT的集成過程如圖6。5󰀁尋優算法采用iSIGHT提供的多島遺傳算法(multi󰀁islandgeneticalgorithm,MIGA)及二次序列規劃法(sequentialquadraticprogra

17、mming,SQP)相結合,先對求解域進行全局尋優,再進行局部深層次尋優,以得到最優解。6󰀁優化結果分析經過628步的迭代,得到增壓器渦輪葉片參數的圖6󰀁三個學科的優化流程圖Fig.6󰀁Flowchartofoptimizationamongthreedisciplines圖7󰀁目標變量的尋優過程Fig.7󰀁Optimizationprocedureofobjectvariable󰀁940機󰀁󰀁械󰀁󰀁強󰀁󰀁

18、;度2007年󰀁2󰀁程耿東,顧元憲,王健.我國機械優化研究與應用的綜述和展望.機械強度,1995,17(2):6874.CHENGGengDong,GUYuanXian,WANGJian.AprospectivereviewonresearchandapplicationofoptimaldesignofmechanicalsystemsinChina.JournalofMechanicalStrength,1995,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):912.F

19、ENGJin,FUDaLiang.Newdesignmethodofturbinebladeshapeofturbodrill.ChinaPetrolicEumMachinery,2000,28(11):912(InChinese).圖8󰀁優化前后葉片截面上葉型Fig.8󰀁Comparisonbetweeninitialandoptimizedbladeprofile4󰀁WatsonN,JanotaMS.內燃機渦輪增壓器原理.北京:中國鐵道出版社,1990.148150.WatsonN,JanotaMS.Turbocharingtheintern

20、alcombustionengine.Beijing:ChinaRailwayPress,1990.148150(InChinese).5󰀁李󰀁冰,朱梅林,陳曉偉,等.渦輪增壓器葉片的振動特性分析.車用發動機,1999,4:2832.LIBing,ZHUMeiLin,CHENXiaoWei,etal.Vibrationpropertyanalysisofturbochargerblade.VehicleEngine,1999,4:2832(InChinese).6󰀁朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.北京:機械工業出版社,1992.292305.ZHUDaXin.Turbochargingandturbocharger.Beijing:MechanicalIndustryPre