[发明专利]离心压气机叶轮轮盘截面形状优化方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设计领域，设计一种离心压气机叶轮轮盘截面形状优化设计的方法。

背景技术

离心压气机在国民经济与国防建设各部门中发挥着举足轻重的作用，广泛应用于航空、航天、能源、交通、运输、化工及冶金等部门。随着现代规模工业、尖端科技的发展和社会对环境保护的呼声越来越高，高负荷、大流量、高效率、低噪声以及小体积成为离心压气机的发展方向。离心叶轮作为压缩机中的关键部件，随着技术的发展，离心叶轮的设计同时向着转速更高，重量更轻的方向发展，但是随着转速的提高，重量的减轻，离心力越来越大，叶片与轮盘、轮盖之间的相互影响和相互作用也越来越大，因此如何设计出高强度的叶轮是离心压缩机设计的难点。

研究(Valakos IM，Ntipteni MS，Nikolos IK，Structuraloptimization of a centrifugal impeller using differentialevolution in CATIA environment.Operational Research-AnInternational Journal，2007，17(2)：185-212.和Verstraete.T，Alsalihi Z，Van den Braembussche RA.Multidisciplinaryoptimization of a radial compressor for micro gas turbineapplication[C].Proceedings of ASME Turbo Expo.2007，GT-2007-27484.)表明，叶轮变形与叶片形状和叶轮轮盘截面形状有密切的关系。一旦气动设计确定了叶片形状，那么叶轮变形和应力分布情况主要由轮盘截面形状决定。随着有限元仿真技术的发展，整体离心压气机叶轮设计完成后即可进行三维实体模型的建立以及强度应力的分析。通过对整体叶轮应力分布的分析来修改叶轮截面形状，降低叶轮的应力达到强度设计要求。以往的离心叶轮轮盘截面形状设计没有固定准则，对设计者的设计经验要求较高。而且叶轮强度设计往往需要较长的设计周期，设计效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将优化设计方法引入叶轮轮盘截面的设计过程中，能够大幅减少设计时间，提高设计结果的可靠性的离心压气机叶轮轮盘截面形状优化方法。该方法基于对离心压气机叶轮轮盘截面形状的优化，实现在不增加叶轮重量的条件下降低整体叶轮在工作转速下的等效应力大小，提高离心叶轮工作安全可靠性能。

为达到上述目的，本发明的方法包括以下步骤：

1)首先根据离心压气机叶轮轮盘截面模型数据以及压气机叶片数据对离心叶轮进行实体建模；

2)然后以叶轮出口背盘的厚度值、轮盘截面凹点深度和径向尺寸、圆台距轮盘右端面距离大小、轮盘加强肋条的径向尺寸和圆台半径等特征参数对轮盘进行参数化设计，将叶轮截面的形状尺寸用对应的设计参数表示，变化一个参数值，即改变与它相关的尺寸，通过调整参数来修改和控制几何形状，实现叶轮论盘截面的造型；

3)根据均匀设计方法对轮盘设计参数在一定范围内(10％-15％)变化并根据实验设计方法进行样本空间分布设计，从而设计出多个不同轮盘截面参数条件下的离心叶轮。然后进行实体建模，并计算叶轮体积V；

4)对多个不同截面形状下的离心叶轮在工作转速条件下进行有限元分析，并提取叶轮的最大等效应力和叶轮质量数据；

5)将不同的轮盘截面设计参数和对应的叶轮最大等效应力作为样本来训练神经网络近似模型，在参数变化范围内任意生成若干个检验神经网络精度的样本，对检验样本的等效应力采用有限元分析和神经网络预测并将结果比较，对比结果误差低于1％则训练的神经网络满足精度要求。若高于1％则将检验样本加入训练样本继续训练，直到满足精度要求。将训练好的神经网络近似模型作为优化的评价函数；

6)最后采用优化算法结合神经网络近似模型以离心叶轮最大等效应力为目标函数，以叶轮重量为算法约束条件，优化设计出离心叶轮等效应力最小的叶轮轮盘截面形状。

对离心叶轮轮盘截面的参数化设计时，轮盘背面选取了叶轮出口背盘的厚度值T、轮盘截面凹点深度D和径向尺寸R₂、圆台距轮盘右端面距离大小Z、轮盘加强肋条的径向尺寸R₁和圆台半径R₃等特征参数，通过改变这些特征参数的大小，能够设计出不同形状的离心叶轮轮盘。