离心压缩机叶轮结构优化设计
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1 结构优化设计
优化设计是求解目标函数在控制条件下极值的问 题，其数学模型可以直观的表述为[9]：
算法，对某型号蒸汽压缩机半开式叶轮进行优化设计，优化后叶轮质量降低 27.1kg，降低约 16.1%，叶轮最大等效
应力降低 196.4MPa，降低约 18.5%，优化设计效果明显，对降低成本和提高机组转子稳定性有着重要意义，具有
良好的工程实用价值。
关键词：离心叶轮；结构优化；有限元；减重设计
Hale Waihona Puke 中图分类号：TH452；TK05
3优化前后叶轮的模态频率及振型基本一致对优化后叶轮采用三重点共振校核其共振避开率大于表5同节径不同阶数频率计算结果比较tab5thefrequencyresultswithsamenodaldiameteranddifferentorders频率hz优化前优化后1阶589859152阶13993139923阶14356142634阶16059160595阶2018220206表6同阶数不同节径频率计算结果比较tab6thefrequencyresultswithsameorderanddifferentnodaldiameters节径数优化前优化后1125812519213411334731466314621415286153251537115404a1节径2阶优化前b2节径3阶优化前c1节径2阶优化后d2节径3阶优化后图8叶轮优化前后模态振型对比fig8impellermodalbeforeandafteroptimization图9叶轮三重点共振图fig9impellersafeplan离心压缩机叶轮结构优化设计56chinesejournalofturbomachinery第62卷2020年第1期http
目标函数和约束条件的设置计算在有限元分析中进 行，结构模型参数的取样和优化则需要借助相关的取 样算法和优化算法来完成。大型商用有限元结构分析 软件 ANSYS 的参数优化模块提供多种取样算法和优化 算法，并与其三维建模模块及有限元分析模块关联，从 而形成自动优化设计的闭环。冀春俊等人[2~3]运用遗传 算法对快速拆装的风机叶轮进行了优化。李晶等人[4] 联合 MATLAB 的遗传算法和 ANSYS 的有限元分析功 能，对某钢结构的轴向应力进行了优化设计。周志海 等人 对 [5] 罗茨风机叶轮在不均匀温度作用下轮廓热变 形进行了优化设计。张永海等人[6]对鼓风机闭式叶轮 叶片在轮盘上的倾角进行了优化。Song 等人[7]对涡轮 叶根进行了以经济性为目标的多变量优化分析，取得 良 好 效 果 。 郭 婷 等 人 [8] 考 虑 应 力 、位 移 和 稳 定 性 等 约 束，对大型通风机定子结构进行了减重优化设计，提出 了各钣金结构的减重优化策略。
文章编号：1006-8155-(2020)01-0052-06
文献标志码：A
DOI：10.16492/j.fjjs.2020.01.0007
Optimal Design of Centrifugal Compressor Impeller Structure
Jian-bao Yuan Wen-hao Huo Li-jun Jiang Lei Wang Hao Sun (ChongQing General Industry (Group)Co.,Ltd)
0 引言
机械结构的优化设计是在现代计算机广泛应用的
· 52 ·
基础上诞生及发展起来的一门学科，根据优化原理和 方法，通过人机配合在计算机上进行自动或半自动的 设计，从而选出在相应约束下的最优设计方案[1]。其中
第 62 卷，2020 年第 1 期 Vol.62，2020,No.1 Chinese Journal of Turbomachinery
Abstract：Impeller is one of the core components of a centrifugal compressor. For a cantilever rotor system, the mass and stress of the impeller directly affect the safety and stability of the rotor. Therefore, it is important to optimize the structure of the impeller to reduce the quality and stress . In this paper, the finite element analysis method and mathematical optimization algorithm are used to optimize the semi- open impeller of a certain type of MVR compressor. The quality of the impeller is reduced by 27.1kg, about 16.1%, the maximum equivalent stress of the impeller is reduced by 196.4MPa, about 18.5 % after optimization .The effect of optimization design is obvious, which is of great significance to reduce costs and improve rotor stability of the compressor unit. Keywords： Centrifugal Impeller，Structure Optimization，Finite Element，Lightweight Design
本文以某型蒸汽压缩机叶轮为例，探计叶轮的减 重优化。蒸汽压缩机叶轮设计材料采用叶片钢 FV520b，其刚度和屈服极限等材料性能较好，计算结果 均满足强度设计要求，但叶轮质量较大，对转子动力学 设计及整个转子组的安全稳定性带来很大的困难。轮 盘的加强筋和去重位的初始设计主要参考工程经验并 进 行 多 次 试 算 ，得 到 叶 轮 初 始 设 计 质 量 较 大 ，为 168.5kg。为满足设计要求需要对转子轴颈、轴承及齿 轮箱等整机参数相应放大，增大了整机设计难度，提高 了机组成本。采用 ANSYS 进行尺寸优化设计，以叶轮 质量最轻为目标函数，以应力和变形满足相应的强度 及间隙设计要求为约束，进行质量优化分析，优化后的 叶轮质量为 141.4kg，叶轮质量降低了 27.1kg，降低约 16.1%，对整个转子组运转的安全可靠性有着积极的影 响，具有良好的工程实用价值。
离心压缩机叶轮结构优化设计 Chinese Journal of Turbomachinery
离心压缩机叶轮结构优化设计
袁建宝 霍文浩 蒋立君 王 磊 孙 皓 （重庆通用工业（集团）有限责任公司）
摘 要：叶轮是离心压缩机的核心部件之一，对于悬臂结构的转子系统，叶轮的质量和应力大小直接影响着转子
的安全稳定性，因此对叶轮进行结构优化设计，降低质量和应力尤为关键。本文综合有限元分析方法和数学优化
优化设计是求解目标函数在控制条件下极值的问 题，其数学模型可以直观的表述为[9]：
算法，对某型号蒸汽压缩机半开式叶轮进行优化设计，优化后叶轮质量降低 27.1kg，降低约 16.1%，叶轮最大等效
应力降低 196.4MPa，降低约 18.5%，优化设计效果明显，对降低成本和提高机组转子稳定性有着重要意义，具有
良好的工程实用价值。
关键词：离心叶轮；结构优化；有限元；减重设计
Hale Waihona Puke 中图分类号：TH452；TK05
3优化前后叶轮的模态频率及振型基本一致对优化后叶轮采用三重点共振校核其共振避开率大于表5同节径不同阶数频率计算结果比较tab5thefrequencyresultswithsamenodaldiameteranddifferentorders频率hz优化前优化后1阶589859152阶13993139923阶14356142634阶16059160595阶2018220206表6同阶数不同节径频率计算结果比较tab6thefrequencyresultswithsameorderanddifferentnodaldiameters节径数优化前优化后1125812519213411334731466314621415286153251537115404a1节径2阶优化前b2节径3阶优化前c1节径2阶优化后d2节径3阶优化后图8叶轮优化前后模态振型对比fig8impellermodalbeforeandafteroptimization图9叶轮三重点共振图fig9impellersafeplan离心压缩机叶轮结构优化设计56chinesejournalofturbomachinery第62卷2020年第1期http
目标函数和约束条件的设置计算在有限元分析中进 行，结构模型参数的取样和优化则需要借助相关的取 样算法和优化算法来完成。大型商用有限元结构分析 软件 ANSYS 的参数优化模块提供多种取样算法和优化 算法，并与其三维建模模块及有限元分析模块关联，从 而形成自动优化设计的闭环。冀春俊等人[2~3]运用遗传 算法对快速拆装的风机叶轮进行了优化。李晶等人[4] 联合 MATLAB 的遗传算法和 ANSYS 的有限元分析功 能，对某钢结构的轴向应力进行了优化设计。周志海 等人 对 [5] 罗茨风机叶轮在不均匀温度作用下轮廓热变 形进行了优化设计。张永海等人[6]对鼓风机闭式叶轮 叶片在轮盘上的倾角进行了优化。Song 等人[7]对涡轮 叶根进行了以经济性为目标的多变量优化分析，取得 良 好 效 果 。 郭 婷 等 人 [8] 考 虑 应 力 、位 移 和 稳 定 性 等 约 束，对大型通风机定子结构进行了减重优化设计，提出 了各钣金结构的减重优化策略。
文章编号：1006-8155-(2020)01-0052-06
文献标志码：A
DOI：10.16492/j.fjjs.2020.01.0007
Optimal Design of Centrifugal Compressor Impeller Structure
Jian-bao Yuan Wen-hao Huo Li-jun Jiang Lei Wang Hao Sun (ChongQing General Industry (Group)Co.,Ltd)
0 引言
机械结构的优化设计是在现代计算机广泛应用的
· 52 ·
基础上诞生及发展起来的一门学科，根据优化原理和 方法，通过人机配合在计算机上进行自动或半自动的 设计，从而选出在相应约束下的最优设计方案[1]。其中
第 62 卷，2020 年第 1 期 Vol.62，2020,No.1 Chinese Journal of Turbomachinery
Abstract：Impeller is one of the core components of a centrifugal compressor. For a cantilever rotor system, the mass and stress of the impeller directly affect the safety and stability of the rotor. Therefore, it is important to optimize the structure of the impeller to reduce the quality and stress . In this paper, the finite element analysis method and mathematical optimization algorithm are used to optimize the semi- open impeller of a certain type of MVR compressor. The quality of the impeller is reduced by 27.1kg, about 16.1%, the maximum equivalent stress of the impeller is reduced by 196.4MPa, about 18.5 % after optimization .The effect of optimization design is obvious, which is of great significance to reduce costs and improve rotor stability of the compressor unit. Keywords： Centrifugal Impeller，Structure Optimization，Finite Element，Lightweight Design
本文以某型蒸汽压缩机叶轮为例，探计叶轮的减 重优化。蒸汽压缩机叶轮设计材料采用叶片钢 FV520b，其刚度和屈服极限等材料性能较好，计算结果 均满足强度设计要求，但叶轮质量较大，对转子动力学 设计及整个转子组的安全稳定性带来很大的困难。轮 盘的加强筋和去重位的初始设计主要参考工程经验并 进 行 多 次 试 算 ，得 到 叶 轮 初 始 设 计 质 量 较 大 ，为 168.5kg。为满足设计要求需要对转子轴颈、轴承及齿 轮箱等整机参数相应放大，增大了整机设计难度，提高 了机组成本。采用 ANSYS 进行尺寸优化设计，以叶轮 质量最轻为目标函数，以应力和变形满足相应的强度 及间隙设计要求为约束，进行质量优化分析，优化后的 叶轮质量为 141.4kg，叶轮质量降低了 27.1kg，降低约 16.1%，对整个转子组运转的安全可靠性有着积极的影 响，具有良好的工程实用价值。
离心压缩机叶轮结构优化设计 Chinese Journal of Turbomachinery
离心压缩机叶轮结构优化设计
袁建宝 霍文浩 蒋立君 王 磊 孙 皓 （重庆通用工业（集团）有限责任公司）
摘 要：叶轮是离心压缩机的核心部件之一，对于悬臂结构的转子系统，叶轮的质量和应力大小直接影响着转子
的安全稳定性，因此对叶轮进行结构优化设计，降低质量和应力尤为关键。本文综合有限元分析方法和数学优化