轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计

Journal of Mechanical Strength2007,29(6): 937940轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计OPTIMIZATION DESIGN FOR TURBINE BLADEOF THE AXIAL TURBOCHARGER1 2 1侯乃先 李立州 岳珠峰(1.西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安710072)(2.西北工业大学航空学院，西安710072) 1 1 2HOU NaiXianLI LiZhou YUE ZhuFeng(1. Schoolcf MechanicSCivil Engineeringand Architecture NorthwesterrPolytechnical UniversityXi an 710072, China)(2. Schoolof Aviation, NorthwesternPolytechnical University Xi an 710072, China)摘要 对轴流式涡轮增压器涡轮叶片进行参数化建模,针对叶片设计提岀一种基于多学科的优化方法，并建立一个优化平台。优化平台采用多学科优化设计工具iSIGHT集成NUMECAANSYS以及自编的离心应力分析程序，在气动、结构以及振动三个学科内对轴流式增压器涡轮叶片进行化设计。优化的实例表明,这种方法提高了增压器涡轮的整体性能，可以应用在叶片设计以及整个增压器的设计中。关键词优化设计涡轮叶片气动结构振动中图分类号 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, 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 performance the blade is improvedremarkably. The methodcan 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): #94088495540Manuscriptreceived20060111, in revsed form 20060531.1引言柴油机涡轮增压器通过增压，提高进气充量密度， 提高空气和燃料的混合比，大幅度提高发动机的输出 功率,它不仅大大提高了经济性，而且能够节约能源，减轻柴油发动机排气污染，减少废气中有害成分，降低 发动机噪音。轴流式涡轮由于效率高被用于目前所有 中型和大型涡轮增压器上。涡轮增压器的设计不是一 个简单的问题，除了要考虑效率外，还要考虑可靠性、 寿命、经济性等诸多因素。目前国内对涡轮增压器多 学科优化的研究，尚属于起步 阶段，考虑的学科比较 少。如文献1针对车用涡轮增压器研究了压气机叶 轮几何参数的优化设计方法，其优化的目标是提高压 气机性能，未涉及多个学科的综合寻优。涡轮叶片是 涡轮增压器中一个非常重要的部件，涡轮叶片的设计关系到整个增压器的效率和寿命，由于涡轮增压器是 一种高速旋转的机械，在运行中还常常遇到叶片损坏 事故，因此涡轮叶片的设计必须建立在气动、振动以及结构强度等学科的基础上，不能只从单个学科对增压 器涡轮叶片进行优化。优化设计是近代先进机械设计技术中的一种方 法,该方法以当代计算机所提供的高速计算能力为工 具,吸收数学规划理论研究的成果，使得机械设计的改进和优化在很短的时间内完成2。随着计算机技术的 发展,人们开始尝试将多学科的设计综合在一起进行 协调优化,逐渐发展了一种多学科优化设计(multidisciplinary designoptimization, MDO)方法,MDO 是一种进 行复杂工程系统和子系统的设计方法学，探索学科之间相互影响的方法，协调不同学科设计之间的耦合和 可能遇到的冲突。目前许多结构设计的专家学者都在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,山东郯城人，汉族。硕士研究生，主要从事结构设计与优化方面工作。第29卷第6期侯乃先等：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计939第29卷第6期侯乃先等：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计#进行MDO的研究，发表了大量研究论文和报告。本文 对轴流式涡轮增压器的涡轮叶片进行全三维的优化设 计,对涡轮叶片进行参数化建模，在气动、结构及振动 三个学科间对涡轮叶片进行优化设计 ，将MDO的设计 方法引入到增压器部件的设计中，为进一步对涡轮增 压器进行优化打下基础。2增压器涡轮叶片的参数化建模采用具有连续三阶导数的五次多项式构造叶片压 力面和吸力面型线3,沿叶高定出叶片根部、顶部两个 截面的叶型后，在叶根和叶尖之间按照线性规律进行 插值，通过对两个叶片截面的积叠生成三维涡轮叶片 参数化模型。建立的参数化模型如图1和图2。在优化过程中，将两个叶片截面的流动及几何参数作为优 化设计变量。温嵐代图3叶片附近的温度分布Fig. 3 Distributi ons of temperaturearo un dblade繇压力/鞘 Static pressure / Pa200 DOO：180 000-220 000160 000140 ODO120 000100 00080 00060 000图4叶片附近的压强分布Fig. 4 Distributions of pressrearo und blade第29卷第6期侯乃先等：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计#Fig. 2 Thethree dimenSonalmodel of turbineSTEP=1SUB=IUSUM (AVG)KSS=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：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计#第29卷第6期侯乃先等：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计#3涡轮增压器涡轮叶片的学科分析(a) 一阶振动模态(a) First order vibration modal涡轮叶片的各学科分析是优化过程实现的前提。 气动分析在增压器中是一个重点，本文采用CFD软件 NUMECA同对涡轮叶片进行气动分析，采用隐式求解 方法求解平均 雷诺数的Navier Stokes方程和Spalart Allmaras计算模型。增压器涡轮叶片流场分析的温度 分布和压力分布如图 3和图4所示。涡轮叶片 叶型的 设计，不只是受 气体动力学的 控制，而且还要考虑叶片应力的大小。作用于叶片 的应力有离心拉伸应力、离心弯曲应力、气体压力弯 曲应力和热应力。通常情况下，离心力的作用是主 要的，为了简化起见，本文只考虑离心力的影响。NODAI. SOLUTIONSTh：P=lSUB-2FREQ 10 555USUM (AVG)RSYS 0DMX=Sr7S4SMX-3,784MX0,840 9851.6822.52333640.420 49212612J022.9433.78Dun das曾证明，叶根（最高 应力点 下式计算4）的离心应力可由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)二阶振动模态(b)Second ordervibration modal图5涡轮叶片的前两阶振动模态Fig. 5 First order and secondordervibration modal of blade在ANSYS中获得叶片的参数后，根据上面公式编 制的程序可以求出叶片的离心应力。统计资料表明，叶片振动引起的损坏是增压器常第29卷第6期侯乃先等：轴流式涡轮增压器涡轮叶片的优化设计941(a)等嫡效率(s) Iseotropic-efikiency(b)离心症力(b) CtntritUgal stress图7目标变量的寻优过程Fig. 7 Opti mization procedure of object variable阶频率约束(c) 1st frequency constraint 1994-2(1 I OiinaJournal Electronic Publishitli： HouSCj All ri&htshtlpwnkikflCl见的损坏形式之一。在运行过程中，叶片上作用着周期 性变化的激振力，当激振力的频率与叶片的固有频率 相等或成整数倍时，叶片会发生共振，而可能导致叶片 损坏5。所以，分析叶片的振动特性是保证涡轮增压器 可靠性的重要环节。在ANSYS中采用Lanczos模态分 析方法得到叶片固有频率，增压器涡轮叶片的前两阶 振动模态如图5所示。为提高叶片的抗振强度，应相应 提高叶片的自振频率：fc ! 5ntc6,式中fc为一阶振 频，nTc为增压器转速(r s)。为了让叶片具有更好的振 动特性,还要求自振频率的分散度尽可能的小。本文采用前五阶固有频率的约束值7ifi = (1+ 0.04i )肓？ 1i = 1,2, 3,4其中为叶片第i阶固有频率。通过约束fi控制叶片 前五阶固有频率为非密频，仆越小，叶片结构的振动响 应特性越好。4 优化设计的仿真流程采用iSIGHT多学科设计优化平台，将流场计算软 件NUMECA及有限元软件 ANSYS进行集成。优化中以 增压器涡轮叶片的等熵效率、涡轮的扭矩以及离心应 力为目标函数，以第一阶振动频率以及前5阶固有频率的约束值为约束函数；以叶尖和叶根两个截面的型 面参数为设计变量；iSIGHT的集成过程如图6。5 寻优算法采用iSIGHT提供 的多岛遗传 算法(multi island genetic algorithm, MIGA)及二次序列规划法 (seque ntial quadratic program min g,SQP) 相 结合,先对 求解域进行全局寻优，再进行局部深层次寻优，以得到 最优解。6 优化结果分析经过628步的迭代，得到增压器涡轮叶片参数的最优值,通过比较可以看出，增压器涡轮的等熵效率提 高了 0.102%,涡轮扭矩降低0. 009% ,涡轮的离心应力 降低0.145%,振动强度提高0.602%,叶片自振频率的 分散度略微降低。轴流式涡轮增压器的整体性能得到 提高。等熵效率、离心应力以及一阶频率约束的寻优过 程如图7 所示,优化前后叶根、叶尖两个截面上叶型如 图8所示。7 计算效率评述目前大多数工程问题还是根据已有的设计经验采 用人工试凑的方法实现，这种方法非常麻烦、 费时。本 文采用MDO方法,优化过程完全实现程序化 ，不需要 人工的参与，整个优化过程所需的时间仅为300个小时。因此这种基于多学科的优化设计可以在很短的时 间内实现整体的最优，极大提高了计算效率，缩小了部件的设计周期。此外，本文给出的计算过程是串行计 算，对于更加复杂的优化设计，可以采用更有效的算法,实现多学科并行计算，以获得系统最优解。输入设讣克最JnilLd value.Modify parameter否心图6 三个学科的优化流程图Fig. 6 Flowchart of optimization amongthree dis ciplines忧化前 LuiLiil proJiLc忧化引 Tni命I prcitile叶尖截闻(b)叶粮截面I泊 13lade lipi b) Blade lxjoi图乜优化前后叶片截面上叶型Fig. 8 Comparison between initial and optimized blade profile8 结束语本文建立一个基于iSIGHT的优化设计平台，在气 动、结构以及振动三个学科内对涡轮增压器涡轮叶片 进行优化设计，优化结果表明，该方法改善了涡轮叶 片的整体性能。初步分析表明，对增压器采用多学科设 计优化技术进行设计优化，可以较大地提高增压器的 综合性能。参考文献(References)1 张 虹，马朝臣.车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析北京理工大学学报，2005, 25( 1):2226.ZHANG Hong， MA ChaoChen. 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