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气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计

唐新姿 王喆 肖鹏 彭锐涛

唐新姿, 王喆, 肖鹏, 彭锐涛. 气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 970-976. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265
引用本文: 唐新姿, 王喆, 肖鹏, 彭锐涛. 气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 970-976. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265
Xinzi Tang, Zhe Wang, Peng Xiao, Ruitao Peng. Optimal Design of Centrifugal Compressor Impeller under Uncertain Aerodynamic Boundary Condition[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 970-976. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265
Citation: Xinzi Tang, Zhe Wang, Peng Xiao, Ruitao Peng. Optimal Design of Centrifugal Compressor Impeller under Uncertain Aerodynamic Boundary Condition[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 970-976. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265

气动边界不确定条件下离心压气机叶轮优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180265
基金项目: 

教育部留学回国人员科研启动基金项目 教外司留[2015]1098号

国家自然科学基金项目 51475404

国家自然科学基金项目 51305377

详细信息
    作者简介:

    唐新姿(1981-), 副教授, 博士, 研究方向为叶轮机械多学科优化, Xinzitang@163.com

  • 中图分类号: TH45

Optimal Design of Centrifugal Compressor Impeller under Uncertain Aerodynamic Boundary Condition

  • 摘要: 以某小型离心压气机为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和数值分析研究气动边界不确定性对离心压气机气动性能的影响规律,量化转速波动不确定对离心压气机压比的影响程度;提出一种基于不确定分析方法、代理模型、多目标优化算法的离心压气机气动稳健设计方法,为离心压气机及其他叶轮机械设计及应用提供重要参考。研究结果表明,优化后叶轮压比增大4.1%,压比方差降低13.52%,叶轮气动稳健性增强。
  • 图  1  压气机初始叶轮三维模型

    图  2  叶轮网格拓扑结构

    图  3  不同阶数下压比期望和方差曲线对比

    图  4  不同转速下性能曲线对比

    图  5  压比的均值及不确定带

    图  6  优化流程图

    图  7  优化Pareto解前沿

    图  8  优化前后叶片三维叶型的对比

    图  9  叶高50%处截面流场相对马赫数比较

    图  10  叶轮出口处相对马赫数比较

    表  1  不同工况下叶轮实验值与计算值的比较

    类型 工况 实验值 计算值 误差/%
    LSCC 设计点 压比 1.141 1.143 0.18
    效率 0.922 0.949 2.9
    非设计点 压比 1.169 1.170 0.08
    效率 0.931 0.958 2.9
    Krain 设计点 压比 4.133 4.297 3.96
    效率 0.850 0.852 0.23
    非设计点 压比 4.054 4.223 4.17
    效率 0.845 0.853 0.94
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    表  2  2阶和3阶配置点与对应权重

    2阶 3阶
    转速/(r·min-1) 权重 转速/(r·min-1) 权重
    130 324 0.166 667 128 697 0.045 876
    135 000 0.666 667 132 997 0.454 121
    139 677 0.166 667 137 003 0.454 121
    141 303 0.045 876
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    表  3  拉丁超立方试验设计变量与响应值

    方案 β1b β2b δu tclr π σπ2
    1 38.6 46.4 57.2 0.3 1.828 4 0.003 8
    2 26.2 56.0 60.9 0.3 1.979 2 0.005 1
    29 33.8 54.0 54.1 0.2 2.030 2 0.004 5
    30 21.4 63.6 57.8 0.2 2.169 4 0.005 8
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    表  4  不确定性优化后离心叶轮性能参数对比

    参数 π σπ2 η/% Δπ/% Δσπ2/% Δη/%
    初始 1.980 7 0.005 4 80.2
    A 1.996 7 0.004 3 83.8 0.81 -20.37 4.49
    B 2.062 0.004 7 82.1 4.1 -13.52 1.2
    C 2.097 0.004 9 82.0 5.87 -8.52 2.29
    注:η为效率均值
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    表  5  优化前后结构参数对比

    状态 进口角/(°) 出口角/(°) 包络角/(°) 叶顶间隙/mm
    初始 21.6 55 60 0.3
    优化 30.2 62.8 63 0.2
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  • 收稿日期:  2018-07-28
  • 刊出日期:  2019-06-05

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