一种离心压缩机气动性能优化设计方法技术

本发明专利技术公开一种离心压缩机气动性能优化设计方法，该方法改进传统“设计

【技术实现步骤摘要】
一种离心压缩机气动性能优化设计方法


[0001]本专利技术涉及离心式压缩机气动设计领域，特别是涉及一种离心压缩机气动性能优化设计方法。

技术介绍

[0002]离心压缩机在工业生产中有着越来越广泛的应用；特别是在航空航天、重大化工装置、气体输送和液化等领域，离心压缩机更是最关键的核心装备之一。随着社会对节能与环保的要求越来越高，对离心压缩机的气动性能要求也越来越高。进一步提升离心压缩机的气动性能，可以节约能源，减少污染物排放并进一步促进人与自然的和谐发展。通用的离心压缩机设计方法是根据流场分析通过不断修改几何，不断进行数值模拟求解。这种方法有时候会耗费大量时间，也不一定可以得到全局最优解。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供一种离心压缩机气动性能优化设计方法，目的在于将离心压缩机各个几何参数、复杂的三维流场以及各个损失建立直观的联系，对叶轮等部件进行优化，提高设计出的离心压缩机的气动性能。
[0004]依据本专利技术的一个方面，提供了一种离心压缩机设计方法，包括：确定离心压缩机的设计输入参数；使用Bezier曲线及B样条曲线构造叶轮的三维几何模型；通过拉丁超立方试验设计（LHD）方法对变量参数的样本库进行取样，对每一个样本几何进行CFD计算，生成包含变量参数及目标函数的样本库；通过人工神经网络和遗传算法对样本库建立近似模型并找到叶轮和回流器的最优结构参数。
[0005]使用Bezier曲线及B样条曲线构造叶轮的三维几何模型后，还使用圆弧、直线、Bizier曲线相结合的方式构造回流器的子午流道三维几何模型。
[0006]具体步骤如下：步骤1，确定离心压缩机气动优化设计内容：以叶轮叶型参数、回流器叶型参数及子午流道参数为设计变量，以限定的参数变化范围为约束条件，以叶轮和回流器的性能最大为目标函数；步骤2，构建试验设计模块：选择对应的试验设计方法进行试验设计，自动生成若干组满足设计变量约束条件的试验样本后，再通过流体力学的精确计算和对计算结果的数据处理得到响应值的集合；通过拉丁超立方试验设计方法生成包含变量参数及目标函数的样本库；步骤3，构建近似模型模块：选择对应的CFD近似方法对试验设计模块得到的样本数据和响应值的集合构建近似模型，得到输入变量与输出响应之间的映射关系；然后选取若干个随机样本对近似模型进行评估，若近似模型的近似效果较好，则用该近似模型代替
高精度分析模型；若近似模型的近似效果较差，则通过在试验设计中加入更多的样本点或修改近似模型的参数来重新构建近似模型，直至近似效果达到精度要求；步骤4，构建优化设计模块：选择对应的人工神经网络和遗传优化算法对得到的近似模型进行优化，若结果能够满足设计要求，则得到优化后的叶轮和回流器结构参数；若结果不能够满足设计要求，则从步骤2开始重新修改方法和参数，并重复上述过程，直至达到设计要求。
[0007]可选的，试验设计方法包括参数试验、部分因子设计、正交数组、中心组合设计、拉丁超立方设计等。
[0008]可选的，构件近似模型的方法还包括响应面法、人工神经网络法及克里金模型等。
[0009]可选的，优化设计的寻优方法包括遗传算法、禁忌搜索、分散搜索、粒子群算法、模拟退火、人工免疫系统和蚁群算法等。
[0010]具体的，根据如下Bezier的曲线公式建立叶轮扩压器子午流道参数化模型；其中为曲线上的任意一个点；及,分别为Bezier曲线上的控制点；根据如下B样条曲线的数学表达式选取叶片两个截面构建叶片安装角曲线模型；其中为曲线的控制点，为基函数的次数，即为次，B样条基函数，最高次数为，表示参数序列，即B样条分段函数中的参数。
[0011]具体的，在使用圆弧、直线、Bizier曲线相结合的方式构造回流器的子午流道三维几何模型中，具体步骤如下：对回流器的盘侧弯道处采用单圆弧造型，对回流器叶片部分采用直线造型，对回流器出口处采用Bezier曲线构造。
[0012]具体的，通过拉丁超立方试验设计（LHD）方法对变量参数的样本库进行取样，对每一个样本几何进行CFD计算，生成包含变量参数及目标函数的样本库，具体包括：对原始几何模型及参数化模型进行数值计算，对两种模型的气动性能和主要流场进行比对分析。
[0013]具体的，通过拉丁超立方试验设计（LHD）方法对变量参数的样本库进行取样，对每一个样本几何进行CFD计算，生成包含变量参数及目标函数的样本库，具体包括：将参数化模型与原始几何模型进行三维CFD数值模拟，并将结果进行对比。为了保证对比的准确性，CFD计算过程参数化模型和原始几何模型所采用的网格形式、网格数、湍流模型等网格及计算设置完全相同。为了检验参数化模型的可靠性，除了对比整机的多变效率及总压比外，还需要对比参数化模型与原始几何模型在相同出口截面处的气流均匀性，如气流角分布曲线等。
[0014]具体的，通过人工神经网络和遗传算法对样本库建立近似模型并选取最优解，包括：选取叶轮叶片子午面上的R坐标值及叶片Hub和Shroud侧beta角作为变量参数，变量范围为设计值的
±
10%；选取113%设计流量、设计流量和85%设计流量的多变效率作为优化的目标函数，设
计点的总压比为约束条件；根据样本库的数据，生成一个神经网络，然后根据多目标遗传算法的寻优结果不断对神经网络进行训练；选取与CFD结果误差在2%以内的预测值。
[0015]进一步的，根据优化设计方案调整叶轮叶片安装角和回流器不同截面叶片出口安装角。
[0016]采用本方案通过对离心压缩机叶轮及回流器进行参数化设计，可以得到更好的气动性能，使离心压缩机模型级的气动性能更优，通过计算流体力学（CFD）计算对比参数化几何结果与原始几何结果的气动性能，验证参数化设计的准确性，通过多目标优化设计方法，对叶轮叶型参数、回流器叶型参数及子午流道参数进行优化，能够得到变工况气动性能更优的离心压缩机改进方案。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为本专利技术提出的一种离心压缩机设计方法流程图；图2为本专利技术提出的一种离心压缩机优化基本流程图；图3为本专利技术提出的一种离心压缩机优化设计模块方框示意图；图4为本专利技术实施例叶轮的子午流道参数化模型示意图；图5为本专利技术实施例叶轮的中弧线参数模型示意图。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]本专利技术实施例提供了一种离心压缩机设计方法，对离心压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离心压缩机气动性能优化设计方法，其特征在于，包括：确定离心压缩机的设计参数；使用Bezier曲线及B样条曲线构造叶轮的三维几何模型；通过拉丁超立方试验设计LHD方法对变量参数的样本库进行取样，对每一个样本几何进行CFD计算，生成包含变量参数及目标函数的样本库；通过人工神经网络和遗传算法对样本库建立近似模型并选取最优解。2.根据权利要求1所述的离心压缩机气动性能优化设计方法，其特征在于，所述使用Bezier曲线及B样条曲线构造叶轮的三维几何模型，具体包括：以叶轮子午线、叶片中弧线、叶片厚度、叶片前缘几何形状的特征参数使用Bezier曲线建立叶轮扩压器子午流道参数化模型；Bezier曲线的数学表达式：其中为曲线上的任意一个点；及，分别为Bezier曲线上的控制点；使用B样条曲线选取叶片两个截面构建叶片安装角曲线模型；B样条曲线的数学表达式：其中为曲线的控制点，为基函数的次数，即为次，B样条基函数，最高次数为，表示参数序列，即B样条分段函数中的参数。3.根据权利要求1所述的离心压缩机气动性能优化设计方法，其特征在于，使用Bezier曲线及B样条曲线构造叶轮的三维几何模型后还使用圆弧、直线、Bizier曲线相结合的方式构造回流器的子午流道三维几何模型。4.根据权利要求3所述的离心压缩机气动性能优化设计方法，其特征在于，所述使用圆弧、直线、Bizier曲线相结合的方式构造回流器的子午流道三维几何模型，具体包括：对回流器的盘侧弯道处采用单圆弧造型，对回流器叶片部分采用直线造型，对回流器出口处采用Bezier曲线构造。5.根据权利要求1所述的离心压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭中纬，
申请(专利权)人：钛灵特压缩机无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：