基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，其步骤如下：(1)基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，建立有限元模型；(2)考虑最严酷设计工况下的结构温度场、离心力和腔压作为载荷输入，对轮盘结构静强度的分析求解；(3)提取离心压气机轮盘喉部进气边、排气边处的最大径向应力及其对应的温度载荷；(4)获取相应温度下轮盘喉部进气边、排气边最大径向应力处的材料屈服强度；(5)计算轮盘喉部进气边、排气边最大径向应力处的强度储备，以等强度储备系数作为约束条件，优化轮盘喉部进气边、排气边的几何构型。本发明专利技术通过对离心压气机轮盘喉部结构的等强度理论优化，提升了离心压气机叶盘的结构使用率。

【技术实现步骤摘要】
基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法
本专利技术属于离心压气机轮盘设计领域，涉及一种离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，特别涉及一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法。
技术介绍
燃气涡轮发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，主要用途是为飞机提供动力。作为飞机的心脏，被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，涉及大量的前沿学科和基础学科，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。燃气涡轮发动机的主要三大部件是压气机、燃烧室和涡轮。压气机的主要作用是利用高速旋转的叶片给空气做功以提高空气的压力。压气机有轴流式和离心式两种类型，离心压气机有体积小，单级增压比高等特点，广泛应用于小型涡扇、涡喷、涡轴等发动机中。轮盘是发动机转子的主承力件，在轮缘安装有叶片，在高速旋转时，轮盘不仅承受轮缘处叶片的离心载荷，同时还承受轮盘自身的离心载荷。根据轮盘所受载荷及应力分布特点，轮盘辐板通常会出现喉部结构。现阶段，在轮盘喉部结构设计时，认为喉部截面从进气侧至排气侧温度保持一致，即无轴向温差，沿轴向按照等应力的方法来设计轮盘喉部结构。而实际服役情况下，离心压气机轮盘比较厚，叶片增压比高，致使喉部进、排气侧形成一定的轴向温差，进气侧温度低，排气侧温度高，而材料的屈服强度往往随着温度升高而降低，所以按照等应力设计，必然会存在有些区域强度储备过大，而有些区域强度储备较小的情况，换言之，在满足结构强度要求下，按照等应力的设计方法不能充分利用结构材料性能，结构还有很大的优化空间。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺陷和不足，本专利技术提供了一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，该方法可以将喉部进气边最大应力设计大一些，喉部排气边最大应力设计小一些，这样喉部两边的强度储备相当，既可以充分利用结构材料性能，又可以有效降低轮盘结构重量，提升了离心压气机轮盘结构的整体结构性能。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：SS1.基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，生成离心压气机轮盘结构有限元模型；SS2.基于步骤SS1生成的离心压气机轮盘结构有限元模型，输入离心压气机轮盘结构材料的密度、随温度变化的弹性模量和热膨胀系数，以最严酷设计工况下的结构温度场、离心力和腔压作为载荷输入，约束其轴向和周向位移边界条件，完成对离心压气机轮盘结构静强度的分析求解；SS3.提取离心压气机轮盘喉部进气边的最大径向应力SX1及其对应温度TSX1，提取离心压气机轮盘喉部排气边的最大径向应力SX2及其对应温度TSX2；SS4.根据离心压气机轮盘结构材料的温度与屈服强度的对应关系，分别得到TSX1和TSX2对应的离心压气机轮盘结构材料的屈服强度σ1和σ2；SS5.分别计算轮盘喉部进气边、排气边最大径向应力处的强度储备系数F1、F2，其中，F1＝σ1/SX1，F2＝σ2/SX2；SS6.以轮盘喉部结构进气边、排气边的几何构型为优化变量，以等强度储备系数为约束条件，以最小化离心压气机轮盘结构重量为目标，建立离心压气机轮盘喉部结构优化设计模型，最终实现基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计。优选地，所述步骤SS1中，基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，通过定义单元类型、划分网格，构建离心压气机轮盘结构有限元模型。优选地，所述步骤SS2中，离心压气机轮盘结构材料的密度、随温度变化的弹性模量和热膨胀系数，通过材料手册获得。优选地，所述步骤SS3中，最严酷设计工况是指在高温高转速工作状态下离心压气机喉部结构轴向温差最大的工况。优选地，所述步骤SS4中，离心压气机轮盘结构材料的温度与屈服强度的对应关系，通过材料手册获得。优选地，所述步骤SS6中，离心压气机轮盘喉部结构优化设计模型如下式所示：设计变量X＝(x1,x2)优化目标minf＝mass(x1,x2)约束条件F1-F2＝0F1,F1≥Fcriterion其中，x1和x2分别代表轮盘喉部结构进气边、排气边的几何构型曲线；mass表示离心压气机结构重量，它是关于设计变量的函数；Fcriterion为设计准则要求的强度储备系数标准，根据选取的设计准则来确定。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术的基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，通过约束轮盘喉部结构进气边和排气边最大径向应力的强度储备系数来优化轮盘喉部结构构型，能够在满足轮盘结构强度使用性能的基础上，有效减轻离心压气机轮盘结构重量，相对于现有等应力的优化设计方法，更加适用于轮盘喉部温度梯度较高的温度载荷情况。附图说明图1为本专利技术的基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法实现流程图；图2为本专利技术所针对的离心压气机轮盘结构二维有限元模型示意图；图3为本专利技术所针对的离心压气机轮盘结构最严酷设计工况的温度场云图；图4为本专利技术所针对的离心压气机轮盘喉部结构优化前的径向应力分布等值线图；图5为本专利技术所针对的离心压气机轮盘喉部结构进气边和排气边优化前后对比图；图6为本专利技术所针对的离心压气机轮盘喉部结构优化后的径向应力分布等值线图。具体实施方式本专利技术提出了一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，为了更充分地了解该专利技术的特点及其对工程实际的适用性，依据如图1所示实施流程，实现了对某离心压气机轮盘喉部结构的优化设计，包括以下步骤：SS1.基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，定义单元类型、划分网格，生成离心压气机轮盘结构有限元模型，如图2所示；SS2.根据离心压气机轮盘所选用的材料，查阅材料手册，获得密度、随温度变化的弹性模量和热膨胀系数等材料参数，输入如图3所示的最严酷设计工况下的结构温度场、离心力和腔压；约束其轴向和周向位移边界条件，完成对离心压气机轮盘结构静强度的分析求解，得到优化前离心压气机喉部结构的径向应力分布如图4所示。最严酷设计工况是指在高温高转速工作状态下离心压气机喉部结构轴向温差最大的工况。SS3.提取离心压气机轮盘喉部进气边的最大径向应力及其对应温度，分别记为SX1和TSX1，提取离心压气机轮盘喉部排气边的最大径向应力及其对应温度，分别记为SX2和TSX2；SS4.根据材料手册，得到TSX1和TSX2温度对应的离心压气机轮盘结构材料的屈服强度，分别记为σ1和σ2；SS5.计算轮盘喉部进气边、排气边最大径向应力处的强度储备系数，分别记为F1和F2，其中，F1＝σ1/SX1，F2＝σ2/SX2；SS6.以轮盘喉部结构进气边、排气边的几何构型为优化变量，以等强度储备系数为约束条件，以最小化离心压气机轮盘结构重量为目标函数，建立如下式所示的离心压气机轮盘喉部结构优化设计模型：设计变量X＝(x1,x2)优化目标minf＝mass(x1,x2)约束条件F1-F2＝0F1,F1≥Fcriterion其中，x1和x2分别代表轮盘喉部结构进气边、排气边的几何构型曲线；mass表示离心压气机结构重量，它是关于设计变量的函数；Fcriterion为设计准则要求的强度储备系数标准，这里Fcriterion＝1.25。最终，实现基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计，优化后喉部结构几本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：SS1.基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，生成离心压气机轮盘结构有限元模型；SS2.基于步骤SS1生成的离心压气机轮盘结构有限元模型，输入离心压气机轮盘结构材料的密度、随温度变化的弹性模量和热膨胀系数，以最严酷设计工况下的结构温度场、离心力和腔压作为载荷输入，约束其轴向和周向位移边界条件，完成对离心压气机轮盘结构静强度的分析求解；SS3.提取离心压气机轮盘喉部进气边的最大径向应力SX1及其对应温度

【技术特征摘要】
1.一种基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构优化设计方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：SS1.基于离心压气机轮盘结构的二维几何模型，生成离心压气机轮盘结构有限元模型；SS2.基于步骤SS1生成的离心压气机轮盘结构有限元模型，输入离心压气机轮盘结构材料的密度、随温度变化的弹性模量和热膨胀系数，以最严酷设计工况下的结构温度场、离心力和腔压作为载荷输入，约束其轴向和周向位移边界条件，完成对离心压气机轮盘结构静强度的分析求解；SS3.提取离心压气机轮盘喉部进气边的最大径向应力SX1及其对应温度提取离心压气机轮盘喉部排气边的最大径向应力SX2及其对应温度SS4.根据离心压气机轮盘结构材料的温度与屈服强度的对应关系，分别得到和温度对应的离心压气机轮盘结构材料的屈服强度σ1和σ2；SS5.分别计算轮盘喉部进气边、排气边最大径向应力处的强度储备系数F1、F2，其中，F1＝σ1/SX1，F2＝σ2/SX2；SS6.以轮盘喉部结构进气边、排气边的几何构型为优化变量，以等强度储备系数为约束条件，以最小化离心压气机轮盘结构重量为目标，建立离心压气机轮盘喉部结构优化设计模型，最终实现基于等强度理论的离心压气机轮盘喉部结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯引利，蒋文婷，高金海，张帆，杜强，王沛，刘红蕊，刘军，柳光，廉曾妍，徐庆宗，王若楠，肖向涛，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11