增压器压气机叶片结构/振动一体化优化设计

以废气涡轮增压器压气机叶轮为研究对象,创建了压气机叶片的三维参数化模型,通过全三维流场仿真分析,得到压气机的气动性能及叶片表面的压力分布.在不改变叶片形状、保证压气机气动性能的情况下,对叶片的静强度及振动特性进行了一体化优化设计.以叶片4个关键截面的叶顶、叶根厚度为设计变量,以离心力及气动压力作用下叶片的最大Mises应力、叶片的一阶动频为约束,以叶片体积为目标函数,在iSIGHT优化平台上集成了I-DEAS、ANSYS软件,采用混合整型优化和自适应模拟退火算法的组合优化方法,在满足叶片静强度小于屈服强度和一阶动频大于3倍工作频率的条件下,叶片体积(质量)减小了14.7%.     

多级涡轮三维气动优化设计的可行性分析与实现

多级涡轮三维气动优化设计由于计算量大、计算时间长、变量样本空间过于庞大,在实践中往往设计周期长,且难以有效实现.随着计算机硬件和计算软件的发展,计算能力已经大为改善,多种设计方法亦实现了有效融合.大力开展多级涡轮三维气动优化设计研究,将传统设计方法与现代自动优化设计方法相结合是解决前述困难,实现多级涡轮优化设计的一个有效途径.文中分析了将准三维设计和多级局部优化联合实现多级涡轮三维设计的可行性,给出了一个多级涡轮气动优化设计流程.准三维设计主要是S2流面正问题计算,通过准三维设计进行初步设计,初步提高性能,确定总体参数,为下一步的优化设计打下基础.然后采用多级局部优化设计,多级局部优化过程使用Numeca/design 3D软件,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,通过提高局部性能来提高总体性能.流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解,并以一个3级涡轮和一个4级涡轮为例,说明此方法的可行性.     

采用NURBS的某级透平叶片全三维气动最优化设计

用NURBS对叶轮机械叶片三维型面和基迭线进行参数化表达,实现了对叶片三维型面和基迭线弯、倾、掠、扭的变形控制.该方法为叶片的自动优化设计提供设计变量.把该方法构建的叶片全三维控制模块集成到基于商业软件iSIGHT的叶片粘性气动优化设计平台中,在该平台上选择优化算法对某级透平叶片进行了全三维气动优化设计实验,优化的目标是使级效率尽可能的高,同时流量不能降低并且动叶叶根前端的温度尽可能低.实验结果表明：优化后的叶型性能有所改善,同时也满足了流量和温度约束条件的要求.图23参5     

某氦气压气机三维优化设计

对某氦气压气机设计方案三维数值模拟计算结果特点进行分析,指出了三维优化改型设计方向和指导原则,通过调整叶片厚度分布、叶片尾缘型线曲率和采用端弯技术等方法,对原型氦气压气机气动设计方案进行了全三维优化设计,对比分析三维优化设计前后数值模拟计算结果,三维优化设计后压气机效率提高2个百分点,有效控制了二次流动进一步发展。     

跨声速压气机转子多目标气动优化设计研究

采用数值优化方法对跨声速压气机转子NASA rotor37进行了多目标的数值三维气动优化设计,并对设计前后的几何形状、总体性能及流场的变化进行了详细的分析对比.结果表明,利用多目标遗传算法或者多目标模拟退火算法进行多目标的气动优化设计所得出的分布是基本一致的.各性能参数及流场结构的变化还是主要来源于前缘激波结构的变化.     

轴流压气机多叶片排的气动优化设计

对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。     

地面重型燃气轮机压气机叶型的优化设计

将优化理论引入压气机叶型设计,建立了具有自动优化设计能力的平台。该平台由自主开发的二维叶型生成程序、网格生成软件Gambit、流场计算分析软件CFX以及自主开发的优化模块组成。以某地面重型燃气轮机压气机叶型为优化对象,以总压损失系数为目标函数,流场分析中考虑转捩情况。优化设计之后,叶型气动性能有较明显改善。设计工况下叶型总压损失系数较原型下降了3.63%,非设计工况下的性能也优于原型。     

两级压气机数值模拟及性能分析

为了深入了解某多级轴流压气机的中间两级的内部流场及气动性能,为进一步的优化设计提供数据支持,利用商用软件Numeca对其进行了全三维数值模拟及详细的气动性能评估和流场分析。结果表明:该两级压气机具有良好的气动特性。     

模拟退火算法在三维气动优化设计中的应用

首先对所开发的模拟退火算法进行函数验证,然后与实验设计、三维流场求解程序、二次多项式响应面近似模型结合,提出了一套省时的气动优化设计体系。应用该优化方法对跨音压气机动叶以绝热效率最大为目标进行气动优化设计,优化后叶片绝热效率提高约1.58%,并且具有良好的变工况性能。结果表明了所开发优化设计体系省时、高效的特点。     

燃气轮机多级轴流压气机快捷一体化气动设计与性能优化研究

基于子午流面正反问题流线曲率法、改进Powell算法和叶型参数化方法,构建轴流压气机快捷气动设计、性能分析与优化平台,对某燃气轮机9级轴流高压压气机开展一体化气动设计和多目标优化。结果表明:该平台可自动有效实现多级轴流压气机快速设计、多工况性能分析和优化流程;优化改善了压气机各叶排流动和负荷匹配,实现了多工况扩稳增效;优化后设计点流量、总压比、绝热效率及设计转速下喘振裕度分别为25.97 kg/s, 5.038,88.25%和33.33%;相比优化前,设计转速下裕度提升了5.39%,80%相对转速下裕度和目标工况点效率分别提升了7.56%和2.71%。     

单级离心压气机气动性能预测与优化设计

为了提升低转速工况下压气机的气动性能,采用人工神经网络与遗传算法相结合的优化方法对某单级离心压气机离心叶轮的弯特性进行优化计算。利用NUMECA软件对该离心压气机进行了不同转速的数值模拟,得到压气机不同工况下的气动性能。通过设置不同控制参数和曲线形式对离心叶轮叶片进行参数化拟合,以8个改变叶片弯特性的参数为自由参数进行了叶型优化设计,最终得到了优化后的叶轮叶片。结果表明:优化后在低转速的设计工况下离心压气机压比增加了4.69%,稳定裕度拓宽了17.41%。     

轴流压气机叶片优化设计

开发了基于梯度法的数值优化程序,并与三维粘性流场求解程序相结合对跨音压气机动叶片进行了以绝热效率最大为目标的三维气动优化设计。先对其进行了沿弦长方向掠设计,绝热效率可提高约0．65％。再对所得掠叶片进行叶型中弧线优化设计得到最终叶片,与初始叶片相比绝热效率提高达1．05％。优化结果表明,动叶片的单纯掠型叶片改进气动性能有限,而弦向掠与中弧线的联合优化设计可以显著改善叶片排内流动状况,并具有良好的变工况性能。     

基于叶片弯掠技术的优化设计

在三维粘性流场的数值计算程序平台上,利用BP神经网络和遗传算法,通过叶片弯掠技术对一轴流风机的转子叶片的周向弯曲角度进行寻优,以使风扇的气动性能进一步提高。通过对比优化前、后的叶轮发现,优化之后的叶片呈现明显的周向前弯曲特征。测试结果显示,其全压和气动效率分别提高了3.56%和1.27%,失速裕度大幅度拓宽36%以上,上、下端部的损失进一步降低。     

Performance improvement of centrifugal compressors for fuel cell vehicles using the aerodynamic optimization and data mining methods

Centrifugal compressors are one of the most important auxiliary components in polymer electrolyte membrane fuel cell vehicles, which tend to operate at a narrow area with low specific speed. Here, the optimal design goals of centrifugal compressors are investigated on the basis of a lumped model for fuel cell systems. A three-dimensional multi-objective and multi-point aerodynamic optimization and data mining method for centrifugal compressors named ODM is presented via integrating a multi-island genetic algorithm, Reynolds-Average Navier-Stokes solver technique and self-organization map based data mining technique. Data mining indicates that compressor geometry would move to a small inlet diameter ratio and a narrow region of the outlet width ratio. Based on the optimization results, a centrifugal compressor for 100 kW fuel cell stack is manufactured. The experimental results show that the improvement of isentropic efficiency near low mass flow has been achieved, which indicates that the proposed ODM is effective in the performance improvement of centrifugal compressors for fuel cell vehicles.     

向心式通风机级的数值模拟及变工况特性研究

以完全气体作为流动工质,设计了单级向心式通风机,并进行了流场模拟和变工况特性研究。首先采用BladeGen构造动叶叶型,并对动叶叶型进行参数化;然后采用数值模拟方法得到流场参数,以级效率为目标函数,以总压比为约束条件,在Workbench平台上对动叶叶型参数进行优化,得到最佳的动叶叶型;在已设计好的动叶基础上,利用单圆弧构造法设计静叶并设置在动叶后面,得到向心式通风机级;最后分析不同流量,不同转速下所设计的向心式通风机级的变工况特性。     

双离心压气机共用单一进气歧管致进口流场畸变的仿真分析

针对V型发动机的共用单一管路对置离心压气机进口流场畸变特性进行了研究,通过台架试验测试了初始压气机性能,完成了仿真模型的标定。在此基础上分析了压气机进口流场的变化特征,分析结果表明:共用单一管路对压气机特性影响明显,造成了两侧压气机堵塞流量的降低,在大流量工况区域效率明显下降,右侧压气机恶化程度要明显高于左侧。原因在于受安装位置空间限制,喉口处畸变扩展与进口周向畸变叠加效应使得右侧压气机在周向和叶高方向的畸变程度均高于左侧压气机。进口的畸变效应会一直持续至压气机叶轮内部,使压气机性能变差。     

过渡段部分对某高压压气机性能影响研究

以某型高压九级轴流压气机为研究对象,通过NUMECA软件进行模拟计算,研究了前过渡段、过渡段支板和出口过渡段的气体流动损失对压气机性能的影响,并采用DFFD参数化方法和多岛遗传算法对过渡段部分进行了结构改型与气动优化设计。结果表明:相比不带过渡段的压气机模型,原型过渡段使等熵效率降低1.57%,经过对过渡段型线改进以及对过渡段支板的优化设计,优化后过渡段使等熵效率仅降低0.63%;优化后的过渡段部分气流阻塞减少、损失减小,使得高压压气机整体效率较优化前提高0.94%;经流场损失分析发现,支板段和出口扩压延长段是造成堵塞和效率降低的主要原因。