离心压缩机三元叶轮形状优化设计

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1、离心压缩机三元叶轮形状优化设计刘万青王跃方/大连理工大学工业装备结构分析国家車点实验室张勇杨树华/沈阳鼓风机集团有限公司摘要：在三维参数化建模的基础上，对某离心三元叶轮进口叶片的前缘进行了形状优化设计，在叶轮质量和变形满足耍求的条件下，得到了叶轮进口叶片前缘的最优结构尺寸参数，降低了叶伦最大应力并改善了应力分布状态,为离心压缩机三元叶轮设计提供了重耍的依据。关键词：离心式压缩机；三元叶轮；优化设计中图分类号：TH452文献标识码：B文章编号：1006-8155(2008)04-0031-04OptimizationDesignfortheShapeof3・D

2、ImpellerofCentrifugalCompressorsAbstract：Theshapeoptimizationdesignforthefrontedgeoftheinletbladeofsomecentrifugal3-Dimpellerispresentedbasedonthethree-dimensionalparametricmodeling.Theoptimumstructuralparametersareobtainedforthefrontedgebladeofinletimpellerundertherequirementsofim

3、pellerqualityanddistortion,themaximumstressoftheimpellerisbroughtdownandthedistributionofstressisimproved・Theshapeoptimizationdesignprovidesimportantfoundationfordesigningcentrifugalcompressor3-Dimpeller.Keywords:centrifugalcompressor；3-Dimpeller；optimizationdesigno引言离心压缩机叶伦叶片沿长度和舄

4、度方向是变化的，模型较为复朵，在转动屮承受着多种载荷作川，故在许多计算中都采用简化为等疗度叶片，采用轴对称有限元模型⑴进行计算，此时叶片被简化成等效的盘形夹层，蔡显新等国利用叶片一轮盘藕合分析方法进行求解。这些方法都不能真实地反映叶片的强度和刚度。而在工程应用中叶片止是薄弱环节，许多叶轮的破坏形式止是叶片撕裂。只有对叶轮进行真实的三维有限元模拟才能得到叶轮的真实应力分布卩引。随着技术的进步，压缩机的转速、流量朝着更高的方向发展，叶轮的直径和出口宽度也变大，人们对叶轮强度方面的要求也越来越高。因此，对离心叶轮进行有限元分析、强度校核和优化设计越來越受到人们的重

5、视。木文研究的高效人三元叶轮，其出口宽度和叶片的空间扭I111较人，强度问题非常突出。在叶伦的原始设计中，经过有限元结构分析发现叶片进口前缘的应力值很大，属于危险状态，在复杂工况及交变载荷的作川下很容易引起叶片的断裂破坏，在实际工程应用中也发牛过类似的破坏情况。通过力学分析和优化设计，降低了其最大应力，提高了叶轮的刚度。1叶轮形状优化设计以有限元分析软件ANSYS为工作平台，使川其二次开发语言APDL,采用参数化设计的思想，使有限元建模与分析实现参数化。创建了参数化的分析流程后利用ANSYS的优化模块对叶伦的设计参数进行优化设计，从而达到最优化设计目标。叶轮

6、运转时所受载荷包括：离心力、轴向力、气动力及温度载荷，并以离心力为主，笔者考虑的载荷为离心力，在叶轮的不同半径和轴向位置会产牛不同的切向应力和径向应力，叶片的最大应力由于叶型和厚度分布不同，其发牛部位也不同。以往对叶轮进行形状优化主要针对叶轮轮盘和盖盘的外边界，同时，对工傲八讥处伯“/皿“丄gw、淌以点瑟、岳量或者降低叶轮应力作为优化廿标ar。然而在三元叶轮的原始收稿日期J：2008-05-20大连市116024结构设计屮，经过有限元结构分析发现叶片进口前缘叶片与盖盘连接处及叶片与轴盘连接处应力值很大，属于危险状态，在复杂工况及交变载荷的作川下很容易引起叶片

7、的断裂破坏。因此，针对叶轮进口叶片前缘形状作了优化设计，选取最人应力作为目标函数。图1为高效大三元叶伦的剖血图，选取叶片前缘边界B,C,D,E,F,G6点控制的样条曲线及叶片厚度为设计变量。山于叶轮属于循环对称结构，受离心力作用时，圆周方向上每个叶片相同的位置的应力基本相等,因此设计变量选取一个叶片上的坐标即可，而目标函数选取为所右节点最大应力，所作的优化为降低最人应力。图1离心叶轮截而图边界约束要考虑到零件之间的装配关系、加工等因素并结合经验给出，与性态约束与目标函数的选取有关。优化问题统i表示为Min/(x)=MaxcrMisessubjectedtoU

8、x