复杂工况下小型离心压气机性能分析与优化设计研究

《复杂工况下小型离心压气机性能分析与优化设计研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码10530学号201510161717分类号TH45密级公开硕士学位论文复杂工况下小型离心压气机性能分析与优化设计研究学位申请人肖鹏指导教师唐新姿副教授学院名称机械工程学院学科专业工程硕士(机械工程领域)研究方向数字化设计与制造二〇一八年四月PerformanceAnalysisandOptimalDesignofSmallCentrifugalCompressorunderComplexWorkingConditionsCandidateXiaoPengSupervisorA.P.TangXinziCollegeSchoolofMechanicalEng

2、ineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationDigitalDesignandManufactureDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateApril,2018摘要离心压气机具有尺寸小、结构简单紧凑、单级增压比高的特点，广泛应用于涡轮增压器、小型燃机等技术领域。小型离心压气机由于转速较高，工作在变流量、多载荷、变转速等复杂工况下，内部流动复杂，在复杂的工况下追求压气机高性能是当前压气机优化设计研究的热点问题。采用经验法和试错法对离心压气机

3、进行优化设计效率低、周期长、成本高，不能满足实际复杂工况等缺点。为寻找一种快速高效的能够综合考虑复杂工况的优化策略，本文以某款小型离心压气机为研究对象，采用拉丁超立方试验设计、Kriging代理模型和多目标遗传算法的方法对离心压气机进行多工况、多学科耦合优化和不确定优化，对提高压气机的性能和寿命具有重要意义。本文的主要内容如下：1、建立离心压气机叶轮CFD数值计算模型，对LSCC低速离心叶轮和Krain高速离心叶轮进行内部流动分析，将计算结果与实验数据进行对比验证所采用的CFD数值计算方法的适用性。2、研究进口叶片角、出口叶片角、叶顶间隙和叶片包角等叶轮几何参数对

4、压气机气动性能的影响规律。基于拉丁超立方试验设计、Kriging代理模型和多目标遗传算法相结合的优化方法，对离心压气机进行多工况优化，优化后叶轮在小流量下效率提高了3.52%，压比提高了5.62%，在设计流量下效率提高了3.99%，压比提高了6.43%，拓宽了工作范围，变流量工况优化能够更好的满足不同工作环境下的性能要求。3、建立离心压气机流固耦合分析模型，考虑气动载荷和离心载荷共同作用对压气机叶片变形和应力的影响，开展进口叶片角、出口叶片角、叶顶间隙和叶片包角等几何参数对压气机叶片强度的影响研究；基于气动结构分析进行离心压气机叶轮多学科耦合优化，结果表明，优化后

5、设计流量点压比提高7.49%，效率提高6.82%，叶片总变形降低20.4%，并且拓宽稳定工作范围，气动结构耦合优化后实际工况下叶片几何与设计叶片几何误差更小，使得实际工况下叶轮的性能与设计性能更加贴近。4、采用二阶非嵌入式概率配置点法对压气机转速的波动进行不确定性分析，研究叶轮转速波动不确定度对压比影响程度，并进行叶轮不确定优化。结果表明优化后叶轮压比的均值提高了0.81%，效率提高4.49%左右，压比的方差降低了21.29%，不确定优化后压气机的性能更加稳定。关键词：离心压气机；流固耦合；多目标优化；代理模型；不确定性优化IAbstractCentrifugal

6、compressorhasthecharacteristicsofsmallsize,simpleandcompactstructure,singlestagehighpressureratio,whichiswidelyusedinturbocharger,smallgasturbineandothertechnologyfields.Duetothehighspeedofthesmallcentrifugalcompressor,theinternalflowofthecompressoriscomplicatedunderthecomplicatedcond

7、itionsofvariableflow,multiloadsandvariablespeed.Itisahotissueforthecompressoroptimizationdesigntopursuethehighperformanceofthecompressorunderthecomplicatedconditions.Theexperientialmethodandtrialanderrormethodareoflowefficiency,longcycleandhighcostforthedesignofcentrifugalcompressor,w

8、hichc