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1、離心壓縮機(jī)三元葉輪形狀優(yōu)化設(shè)計劉萬青王躍方/大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家車點(diǎn)實驗室張勇楊樹華/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司摘要：在三維參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，對某離心三元葉輪進(jìn)口葉片的前緣進(jìn)行了形狀優(yōu)化設(shè)計，在葉輪質(zhì)量和變形滿足耍求的條件下，得到了葉輪進(jìn)口葉片前緣的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，降低了葉倫最大應(yīng)力并改善了應(yīng)力分布狀態(tài),為離心壓縮機(jī)三元葉輪設(shè)計提供了重耍的依據(jù)。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；三元葉輪；優(yōu)化設(shè)計中圖分類號：TH452文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1006-8155(2008)04-0031-04OptimizationDesignfortheShapeof3?D
2、ImpellerofCentrifugalCompressorsAbstract：Theshapeoptimizationdesignforthefrontedgeoftheinletbladeofsomecentrifugal3-Dimpellerispresentedbasedonthethree-dimensionalparametricmodeling.Theoptimumstructuralparametersareobtainedforthefrontedgebladeofinletimpellerundertherequirementsofim
3、pellerqualityanddistortion,themaximumstressoftheimpellerisbroughtdownandthedistributionofstressisimproved?Theshapeoptimizationdesignprovidesimportantfoundationfordesigningcentrifugalcompressor3-Dimpeller.Keywords:centrifugalcompressor；3-Dimpeller；optimizationdesigno引言離心壓縮機(jī)葉倫葉片沿長度和舄
4、度方向是變化的，模型較為復(fù)朵，在轉(zhuǎn)動屮承受著多種載荷作川，故在許多計算中都采用簡化為等療度葉片，采用軸對稱有限元模型⑴進(jìn)行計算，此時葉片被簡化成等效的盤形夾層，蔡顯新等國利用葉片一輪盤藕合分析方法進(jìn)行求解。這些方法都不能真實地反映葉片的強(qiáng)度和剛度。而在工程應(yīng)用中葉片止是薄弱環(huán)節(jié)，許多葉輪的破壞形式止是葉片撕裂。只有對葉輪進(jìn)行真實的三維有限元模擬才能得到葉輪的真實應(yīng)力分布卩引。隨著技術(shù)的進(jìn)步，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、流量朝著更高的方向發(fā)展，葉輪的直徑和出口寬度也變大，人們對葉輪強(qiáng)度方面的要求也越來越高。因此，對離心葉輪進(jìn)行有限元分析、強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計越來越受到人們的重
5、視。木文研究的高效人三元葉輪，其出口寬度和葉片的空間扭I111較人，強(qiáng)度問題非常突出。在葉倫的原始設(shè)計中，經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)口前緣的應(yīng)力值很大，屬于危險狀態(tài)，在復(fù)雜工況及交變載荷的作川下很容易引起葉片的斷裂破壞，在實際工程應(yīng)用中也發(fā)牛過類似的破壞情況。通過力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，降低了其最大應(yīng)力，提高了葉輪的剛度。1葉輪形狀優(yōu)化設(shè)計以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺，使川其二次開發(fā)語言APDL,采用參數(shù)化設(shè)計的思想，使有限元建模與分析實現(xiàn)參數(shù)化。創(chuàng)建了參數(shù)化的分析流程后利用ANSYS的優(yōu)化模塊對葉倫的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。葉輪
6、運(yùn)轉(zhuǎn)時所受載荷包括：離心力、軸向力、氣動力及溫度載荷，并以離心力為主，筆者考慮的載荷為離心力，在葉輪的不同半徑和軸向位置會產(chǎn)牛不同的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，葉片的最大應(yīng)力由于葉型和厚度分布不同，其發(fā)牛部位也不同。以往對葉輪進(jìn)行形狀優(yōu)化主要針對葉輪輪盤和蓋盤的外邊界，同時，對工傲八譏處伯“/皿“丄gw、淌以點(diǎn)瑟、岳量或者降低葉輪應(yīng)力作為優(yōu)化廿標(biāo)ar。然而在三元葉輪的原始收稿日期J：2008-05-20大連市116024結(jié)構(gòu)設(shè)計屮，經(jīng)過有限元結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)口前緣葉片與蓋盤連接處及葉片與軸盤連接處應(yīng)力值很大，屬于危險狀態(tài)，在復(fù)雜工況及交變載荷的作川下很容易引起葉片
7、的斷裂破壞。因此，針對葉輪進(jìn)口葉片前緣形狀作了優(yōu)化設(shè)計，選取最人應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)。圖1為高效大三元葉倫的剖血圖，選取葉片前緣邊界B,C,D,E,F,G6點(diǎn)控制的樣條曲線及葉片厚度為設(shè)計變量。山于葉輪屬于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，受離心力作用時，圓周方向上每個葉片相同的位置的應(yīng)力基本相等,因此設(shè)計變量選取一個葉片上的坐標(biāo)即可，而目標(biāo)函數(shù)選取為所右節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力，所作的優(yōu)化為降低最人應(yīng)力。圖1離心葉輪截而圖邊界約束要考慮到零件之間的裝配關(guān)系、加工等因素并結(jié)合經(jīng)驗給出，與性態(tài)約束與目標(biāo)函數(shù)的選取有關(guān)。優(yōu)化問題統(tǒng)i表示為Min/(x)=MaxcrMisessubjectedtoU
8、x
