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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重点实验室 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 满足要求的条件下，得到了叶轮进口叶片前缘的最优结构尺寸参数，降低了叶轮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要的依据。 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）04-0031-04 Optimization Design for the Shape of 3-D Impeller of Centrifugal Compressors Abstract ：The shape optimization design for the front edge of the inlet blade of some centrifugal 3-D impeller is presented based on the three-dimensional parametric modeling. The optimum structural parameters are obtained for the front edge blade of inlet impeller under the requirements of impeller quality and distortion，the maximum stress of the impeller is brought down and the distribution of stress is improved. The shape optimization design provides important foundation for designing centrifugal compressor 3-D impeller. Key words ：centrifugal compressor ；3-D impeller ；optimization design 0 引言 离心压缩机叶轮叶片沿长度和高度方向是变化的，模型较为复杂，在转动中承受着多种载荷作用，故 [1] 在许多计算中都采用简化为等厚度叶片，采用轴对称有限元模型 进行计算，此时叶片被简化成等效的盘 [2] 形夹层，蔡显新等 利用叶片－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正是薄弱环节，许多叶轮的破坏形式正是叶片撕裂。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[3-4] 。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来越受到人们的重视。 本文研究的高效大三元叶轮，其出口宽度和叶片的空间扭曲较大，强度问题非常突出。在叶轮的原始 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 作用下很容易引起叶片的断裂破坏，在实际工程应用中也发生过类似的破坏情况。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，使用其二次开发语言 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 的优化模块对叶轮的设计参数进行 优化设计，从而达到最优化设计目标。 叶轮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生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, 其发生部位也不同。以往对叶轮进行形状优化主要针对叶