基于结构可靠性的涡轮叶片三维气动设计优化-.pdf

第 4 3卷第 4期 2 0 1 4年 1 2月 热 力透 平 THERMAL TURBl NE Vo1．4 3 NO ． 4 De c． 2 O 1 4 文章 编号 1 6 7 2 5 5 4 9 2 0 1 4 0 4 0 2 3 5 0 4 基 于结 构可靠胜的涡轮 叶片三维 号动 设计优化 彭茂林， 刘 波， 孙吉宏 海军装备技 术研 究所 ， 青岛 2 6 6 0 1 2 摘要 将结构静强度可靠性、 疲劳可靠性以及刚度可靠性作为基本约束条件， 对某涡轮静、 动叶片进行 了三 维气动设计优化。建立了涡轮叶片结构可靠性气动设计优化模型， 给 出了叶片热一 流一 固耦合分析流程及气动 设计优化代价函数。结果表明 优化后 ， 静、 动叶片的气动效率均值分别提高了2 ． 4 5 ％和 6 ． 1 7 ， 且气动效率 的标准方差也有一定减小； 优化后 ， 动叶片的各项结构可靠度指标得到提 高， 且达到设计要求； 动叶片的结构 系统可靠度从 9 1 ． 3 提 高到了 9 9 ． 8 7 。 关键词设计优化；气动效率；涡轮叶片；结构可靠性 中图分 类号 T K4 7 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 3 7 0 7 ／ ] ． c n k i ． 3 1 一 t 9 2 2 ／ t h ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 1 Thr e e Di me ns i o n Ae r o d y n a mi c De s i g n Opt i mi z a t i o n o f Tu r bi ne Bl a d e Ba s e d o n S t r u c t u r a l Re l i a bi l i t y PENG Ma o l i n，LI UBo，SUN Ji h o n g T h e Na v y E q u i p me n t I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 0 1 2，Ch i n a Abs t r a c t Ta k i n g t h e s t r e n g t h r e l i a b i l i t y，f a t i g u e r e l i a b i l i t y a n d s t i f f n e s s r e l i a b i l i t y a s t h e b a s i c c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s ，t h e t h r e e d i me n s i o n a e r o d y n a mi c o p t i mi z a t i o n wa s d o n e f o r a t u r b i n e g u i d e b l a d e a n d r o t a t i n g b l a d e ．Fi r s t ，a n a e r o d y n a mi c d e s i g n o p t i mi z a t i o n mo d e l o f b l a d e s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y wa s e s t a b l i s h e d ．An d t h e t h e r ma l - f l u i d s o l i d c o u p l i n g a n a l y s i s p r o c e s s a n d t h e a e r o d y n a mi c d e s i g n o p t i mi z a t i o n c o s t f u n c t i o n we r e g a i n e d ．Th e r e s u l t s p r o v e d t h a t a f t e r o p t i mi z a t i o n ，t h e a e r o d y n a mi c e f f i c i e n c y o f t h e g u i d e b l a d e a n d r o t a t i n g b l a d e a r e p r o mo t e d b y 2 ． 4 5 a n d 6 ． 1 7 r e s p e c t i v e l y，a n d t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e a e r o d y n a mi c e f f i c i e n c y i s r e d u c e d t o s o me e x t e n t a t t h e s a me t i me ；e v e r y s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y i n d e x e s a r e p r o mo t e d t o s a t i s f y t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s t h e s t r u c t u r a l s y s t e m r e l i a b i l i t y o f t h e r o t a t i n g b l a d e i s i n c r e a s e d f r o m 9 1 ． 3 t o 99 ． 87 ． Ke y wo r d s d e s i g n o p t i mi z a t i o n；a e r o d y n a mi c e f f i c i e n c y ；t u r b i n e b l a d e ；s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y 在将高温高速燃气 的热力学能转换为涡轮机 械能的过 程 中， 涡轮叶片起 到至关重要 的作用 。 能量转换的效率 与叶片的形状密切相关l_ 1 ] ， 气动 效率最大化一直是研究者 努力追求 的 目标[ 2 ] ， 但是气动效率提高的同时往往会牺牲其它优 良性 能 ， 比如强度 。因此 ， 在对涡轮叶片进行气动设计 优化的同时 ， 如何保证 叶片的强度 ， 满足可靠性要 求 ， 已成为难点重点问题。作者在文献E 5 ] 中详细 介绍了涡轮叶片的参数化建模方法， 在文献E 6 3 和 文献r - 7 3 中进一步研究 了涡轮叶片气 动效率 的计 算方法和结构可靠 度计算方法 ， 在文献 [ 8 ～9 ] 中 研究了基于 响应 面法 的可靠 性稳健设计 优化方 法 ， 在这些工作的基础上 ， 本文将叶片的结构系统 可靠度作为基本约束条件， 对某船用涡轮 叶片进 行 了三维气动设计优化 ， 在提高效率的同时， 保证 了叶片的结构可靠性 ， 取得了较好 的效果。 1 基于结构可靠性的涡轮叶片气动 设计优化模型 涡轮叶片气动设计优化模型见下式 Mi n i mi z e f ／ Z H ， 仃 H I x 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 6 修订 日期 2 0 1 4 1 0 2 0 作者简介 彭茂林 1 9 8 5 一 ， 男， 湖南祁东人 ， 毕业于海军工程大学， 博士， 工程师， 主要从事舰船装备结构设计优化及装备维修保障方面的 研究 。 |1 1 1圆国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 基于结构可靠性的涡轮叶片三维气动设计优化 S ． t ．P g X； d 0 ≥ 蟮 8 式 6 一式 8 中 S 一 、 ￡ 、 分别为动叶片运行 中承受 的最大应力、 最大应变、 最大变形 ； 为叶片 材料工作温度下的屈服强度 ； ￡为叶片变形允许 值； e r 为涡轮设计安全寿命下概率一 应力应变一 疲劳 寿命曲线对应的循环应变值 ； 、 、 分别为静强 度 、 疲劳、 刚度可靠度指标的目标 约束 值 。 2 ． 3 涡轮叶片气动设计优化代价函数 p H ， H I x 一硼 l l 丛 、 E 蚴 ㈣ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 闭式变温热源不可逆 I F G T循环的生态学优化 热力透平 Pu bl i s h e r s ，2 0 0 4 ． [ 1 1 3 S I E NI UTYC Z S，J E Z O WS KI J ．En e r g y Op t i mi z a t i o n i n P r o c e s s S y s t e m E M] ． O x f o r d E l s e v i e r ， 2 0 0 9 ． [ 1 2 7 A N D R E S E N R C u r r e n t T r e n d s i n F in i t e - T i m e T h e r m o d y n a m i c s 口] ． A n g e w ． C h e m ． 一 I n t ． E d i t ． ， 2 0 1 1 ， 5 0 1 2 2 6 9 0 2 7 0 4 ． [ 1 3 1张万里， 陈林根 ， 韩文玉， 等． 正反向布雷顿循环有限时间热 力学分析与优化研究进展 [ J ] ．燃气轮机技术，2 0 1 2 ，2 5 2 1 - 1 1 ． [ 1 4 ] C HE N L ， z H A N G w， s U N F ． T h e r m o d y n a mic Op t i mi z a t i o n f o r a n p e n Cy c l e o f a n Ex t e r n a l l y Fi r e d M ic r o Ga s Tu r b i n e EFmGT ．Pa r t 1The r mo d y n a mi c M o d e l l i n g [ J 3 ．I n t ．J ．S u s t a i n a b l e E n e r g y ，2 0 1 1 ，3 0 4 2 4 6 2 5 6 ． [ 1 5 ]张万里 ， 陈林根 ， 孙丰瑞．开 式微型燃气 轮机外 燃循环 的功 率和效率优化 _ J ] ．热力透平 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 1 1 6 1 2 0 ． [ 1 6 ] MA Z ， T u R A N A ． F i n i t e T i me T h e r mo d y n a mi c Mo d e l i n g o f a I n d i r e c t l y F i r e d G a s T u r b i n e C y c l e [ J ] ． J ． E n e r g y I n s t ． ，2 0 1 0，8 3 4 1 8 7 1 9 4 ． [ 1 7 ] MA Z ， wU J ． E f f i c i e n c y O p t i m i z a t i o n o f a C l o s e d I n d i r e c t l y Fi r e d Ga s Tu r b i n e Cy c l e Wo r ki n g Un d e r Two Va r i a b l e - T e mp e r a t u r e He a t R e s e r v o i r s[ J ] ．A r c h ．T h e r mo d y n ． ， 2 0 1 1，3 2 2 3 - 2 O ． [ 1 8 ]AN GUL B R owN F E c o l o g i c a l Op t i mi z a t i o n Cr i t e r i o n f o r Fin i t e - T i me He a t En g i n e s[ J ] ．J ．Ap p 1 ．P h y s ． ，1 9 9 1 ， 6 9 1 1 7 4 6 5 7 4 6 9 [ 1 9 3 YAN Z ．C o mme n t o n” Ec o l o g i c a l Op t i mi z a t i o n C r i t e r i o n f o r Fin i t e - Time He a t En g i n e s ”[ J ] ．J ．Ap p 1 ．P h y s ． ，1 9 9 3 ，7 3 7 3 5 8 3 ． [ 2 o ]陈林根， 孙丰瑞 ， 陈文振．热力循环的生态学品质因素 E J ] ． 热 能动力工程 ，1 9 9 4 ，9 6 3 7 4 3 7 6 ． [ 2 1 ] C H E N G C Y ， C H E N C K ．T h e E c o l o g i c a l O p t i m i z a t i o n o f a n I r r e v e r s i b l e C a r n o t He a t E n g i n e [ J ] ． J ． P h y s ． D A p p 1 ． Phy s ． ，1 9 9 7 。3 0 1I i 6 0 2 ． [ 2 2 ]C H E N G C Y， C H E N C K ．E c o l o g i c a l O p t i miz a t i o n o f a n E n d o r e v e r s i b l e B r a y t o n C y c l e [J] ． En e r g y C o n v e r s ． Ma n a g e ． ，1 9 9 8， 3 9 1 ／ 2 3 3 3 4 ． [ 2 3 ]B A RR AN C O J I ME N E Z M A。A N G U L O B R 0 wN Th e r mo - Ec o n o mi c Op t i miz a t i o n o f a No v i k o v Po we r Pl a n t Mo d e l Un d e r Ma x i mu m E c o l o g i c a l C o n d i t i o n s L J ． J ． Ene r g y I n s t ． ，2 0 0 7，8 O 2 9 6 1 0 4 ． r 2 4 ]S ANCHE S AL AS N，CHI MAL - E GUI A J C，G UZ MAN AGUI LAR F． On t h e Dy n a mic Ro bu s t n e s s o f a No n - E n d r e v e r s i b l e E n g i n e Wo r k i n g i n a n E c o l o g i c a l R e g i me [ J ] ． En t r o p y，2 01 1，1 3 2 42 2 4 3 6 ． 1, 2 5 ]陈林根 ， 孙丰瑞 ， 陈文振 ．传 热规律对 卡诺制 冷机生态 学优 化准则 的影响 L J ] ．低温与超导 ，1 9 9 2 ，2 1 1 5 l O ． [ 2 6 3 Y AN z．L I N E c o l o g i c a l Op t i mi z a t i o n C r i t e r i o n F o r An I r r e v e r s i b l e T h r e e H e a t S o u r c e R e f r i g e r a t o r[ J ] ． A p p 1 ． En e r gy，2 0 0 0，6 6 3 2 1 3 2 2 4 ． r 2 7 ] WOUAGF AC K P A N， T CHI NDA R． P e r f o r ma n c e Op t i mi z a t i o n o f Thr e e - He a t S o u r c e I r r e v e r s i b l e Re f r ige r a t or s Ba s e d o n a Ne w The r mo - Ec o l o g i c a l Cr i t e r i o n E J 3 ．I n t ．J ．Re f r i g ． ， 2 0 1 1 ，3 4 4 1 0 0 8 1 0 1 5 ． 1- 2 8 3 T Y A G I S K， K A U S H I K S c ， S A L O HT R A R ．E c o l o g i c a l Op t i mi z a t i o n a n d Pa r a me t r i c S t u d y o f I r r e v e r s i b l e St i r l i n g a n d E r i c s s o n He a t - P u mp s [ J ] ． J ．P h y s ．D A p p 1 ．P h y s ． ， 2 0 0 2，3 5 1 6 2 0 6 5 2 0 6 8 ． r 2 9 ]Z HU X，C HEN I ，S UN F，e t a 1 ．E f f e c t o f He a t Tr a n s f e r La w o n t h e Ec o l o g i c a 1 Op t imi z a t i o n o f a Ge n e r a l i z e d I r r e v e r s ib l e C a r n o t He a t P u mp[ J 3 ．I n t ．J ．E x e r g y ，2 0 0 5 ， 2 4 4 2 3 4 3 6 ． [ 3 o ]C HE N L ， Z H U X， S U N F ， e t a 1 ．E x e r g y - B a s e d E c o l o g i c a l Op t i mi z a t i o n f o r a Ge n e r a l i z e d I r r e v e r s i bl e Ca r n o t H e a t P u m p口] ．A p p 1 ． E n e r g y ， 2 0 0 7 ， 8 4 1 7 8 8 8 ． ⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯， ⋯⋯⋯⋯⋯～⋯l ⋯⋯～⋯⋯～ 上 接第 2 3 8页 明 ， 基于结构可靠性的涡轮叶片三维气动设计优 化在提高叶片气动效率的同时， 又可以保证叶片 的结构可靠性。因此 ， 该方法具有较高 的理论及 工程应用价值 。但是 ， 在保证叶片结构可靠性 、 提 高叶片气动效率的同时 ， 却可能要在某些性能 如 叶片体积和制造成本 上付出更高的代价， 因此基 于结构可靠性的涡轮 叶片三维气动设计优化过程 也是一个权衡折 中的过程 。 参考文献 [ 1 ]岳珠 峰 ， 李立 州， 王婧超 ． 航 空发动机涡轮 叶片多学科 设计优 化l- M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ]刘勋 ， 周逊 ， 温风 波． F级 中低 热值燃 料气轮 机透平部 分气动 方案优化设计与分析[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 1 1 ， 3 1 2 6 l 一 8 ． [ 3 ]马洪波 ， 朱剑 ， 席乎． 基于参数化 的涡 轮叶片三维 气动优化 仿 真 I J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 0 8 ， 2 5 1 0 2 7 3 0 ． [ 4 3虞跨海， 岳珠峰， 杨茜． 涡轮冷却叶片气动与传热设计优化 [ J ] ． 计算力学学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 4 3 1 0 3 1 4 ． E 5 ]彭茂林， 杨自春， 曹跃云， 等． 基于贝赛尔曲线和粒子群算法 的涡轮叶片型线参数化建模[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 1 2 ， 3 2 3 5 1 0 1 - 1 08 ． [ 6 ]彭茂林 ， 杨 自春 ， 曹跃 云． 涡轮 叶片 三维 气 动分析 方 法研 究 [ J ] ． 热力透平 ， 2 0 1 2 ， 4 1 4 2 4 5 2 5 0 ． [ 7 ]彭茂林 ， 杨 自春 ， 曹跃云． 涡轮盘 片的结构可靠度 计算及 灵敏 度分析[ J ] ． 热力透平， 2 0 1 1 ， 4 O 3 ； 1 9 2 1 9 8 ． [ 8 3 彭茂林， 杨自春， 曹跃云， 等． 涡轮叶片低周疲劳可靠性稳健 设计优化研究 I- J ] ． 中 国电机 工 程学 报， 2 0 1 3 ， 3 3 1 1 1 0 4 1 l 1 ． [ 9 ] 彭茂林， 杨自春， 曹跃云． 基于响应面法的可靠性稳健设计优 化方法研究r J ] ． 航空动力学报 ， 2 0 1 3 ， 2 8 8 1 7 8 4 1 7 9 0 ． | I II 困 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m