基于iSIGHT的涡轮叶片叶冠优化设计
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航空动力学报 第２ ６卷 第４期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ６ Ｎ ｏ ． ４ ２ ０ １ １年 ４月 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ａ ｃ ｅ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ａ ｒ ． ２ ０ １ １ ｐ ｐ
ｘ １ ｘ ２ ｘ ３ ｘ ４ ｘ ５ ｘ ６ ｘ ７ ｘ ８ ｘ ９ ｘ １ ０ ｘ １ １ ｘ １ ２
ａ ｂ ｇ ｈ ａ １ ｂ １
图 ２ 叶冠模型 Ｆ ｉ ． ２ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｇ
［ ３］ 结合发动机设计手册 和叶冠分析的相关文 ］ ， 提取 该 模 型 的 参 数 如 表 １ 所 示 ． 各参数 献［ ４ ７ － ， 所对应的位置见图 ３． 叶冠预扭角取 １ 间隙值取 °
０ ． ２ ５ｍｍ．
表 １ 模型参数 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｐ 模型 参数 ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 中 对应参数
］ ６ ７ － 实际情况的 ［ ．
第４期
樊 江等 ： 基于ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 的涡轮叶片叶冠优化设计
７ ４ ７
线号在优化中并 不 发 生 变 化 ， 因此自动分网能够 同时为了尽可能保 实现对重点线面 的 网 格 细 化 ． 证计算精度 ， 自动分网时采用了 ２ ０ 节点的高精度
１ １］ 网格 ［ ．
］ １ ２ － 响巨大 ［ ．
目前国内外研究叶冠的文献大多数聚焦于对 对 已有的模型进行 结 构 强 度 和 振 动 方 面 的 分 析 ， 于叶冠的优化设计涉及较少 ．
７ ４ ６
航 空 动 力 学 报
第２ ６卷
１ 叶冠参数化模型的建立
叶冠主要分为平行四边形叶冠和锯齿形叶冠 （ ） 图１ 锯齿冠由于可以克服平行四边形叶冠阻 ． 尼面磨损不一致 的 缺 点 ， 在当前的发动机中得到 了比较广泛的应 用 ． 某型发动机采用的是锯齿形 ） 叶冠 ， 上端带封严齿 （ 图２ ．
（ ， Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｊ ｅ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｕ ｌ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ ，Ｂ ） Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ９ １，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ：Ｂ ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ，ａ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ ａ ｓ ａ ｎ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎ ｄ ｅ ｍ ｌ ｏ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｐ ｙ ｇ （ ） ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ Ｆ ＥＭ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ － ｐ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｉ ｔ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｓ ｍ ａ ｓ ｓ（ ａ ｔ ｌ ｅ ａ ｓ ｔ １． ０％ ） ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｋ ｅ ｅ ｉ ｎ ｙ ｐ ｇ ， ｉ ｔ ｓ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｂ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｓ ｏ ｍ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ － ｐ ｇ ｙ ’ ，ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｓ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ａ ｎ ｌ ｅ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ αａ ｐ ｇ ｐ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ． Ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｐ ｐ ｇ ｐ ｓ ｉ ｍ ｉ ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｍ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ． ｐ ：ｔ ；ｐ ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ（ Ｆ ＥＭ） ｙ ；ｏ ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｐ ｇ 涡轮叶片是航空发动机中最为复杂的零件之 一． 它的 设 计 要 涉 及 叶 冠 、 叶 身、 缘 板、 伸 根、 榫头 等诸多结构 ， 其中叶冠的设计极为关键 ． 叶冠可减小 叶 片 尖 部 由 叶 盆 向 叶 背 的 漏 气 ， 降低二次损失 ， 提高涡轮效率 ； 相邻叶片的叶冠抵 紧后可以减小叶 片 的 扭 曲 变 形 和 弯 曲 变 形 ， 增强 叶片的刚性 ， 提高叶片的振动频率 ； 当叶片产生振 动时相邻叶冠间 发 生 摩 擦 可 以 吸 收 振 动 能 量 ， 起 到减振作用 ； 带冠 叶 片 还 可 以 采 用 对 气 动 有 利 的
参数解释 非阻尼面与发动机轴线夹角 一端封严齿的高度 另一端封严齿的高度 阻尼凸台半宽 中心线到一端面的距离 中心线到另一端面的距离 中部小凸台厚 叶冠厚度 封严齿定位尺寸 封严齿定位尺寸 阻尼凸台厚 阻尼面与发动机轴线夹角
θ ｈ １ ｈ ２ ｈ ｆ
图 １ 常见两种叶冠 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｗ ｏ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｇ ｙ ｐ
ｔ ｇ α
图 ３ 参数对应位置 ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｆ ｉ ． ３ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｐ ｇ ｐ ｇ
２ 叶冠的热固耦合分析
带冠涡轮叶片 所 受 的 载 荷 主 要 涉 及 气 动 、 离 心和热等外部负荷 ． 叶冠不仅会受到叶身 ， 而且还 会受到相邻叶冠 的 影 响 ， 所以其分析和计算比较 复杂 ． 本文采用有限元法对模型进行分析 ． 因叶冠间存在 间 隙 ， 在工作中会存在相互接 触、 摩擦及分离等情况 ， 所以叶冠边界条件十分复
Ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｐ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ Ｓ Ｉ Ｇ Ｈ Ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ
，Ｚ ， ＷＡＮＧ ， Ｆ ＡＮ Ｊ ｉ ａ ｎ Ｅ ＮＧ Ｗ ｅ ｉ ｅ ｉ Ｒ ｏ ｎ ｉ ａ ｏ －ｗ － ｇ ｇ ｑ ，ＣＨＥ Ｓ ＨＥ Ｎ Ｘ ｉ ｕ ｌ ｉ Ｎ Ｚ ｈ ｉ ｉ ｎ － －ｙ ｇ
பைடு நூலகம்
］ ４ ５ － 杂［ 这使得在 对 涡 轮 叶 冠 进 行 有 限 元 分 析 时 ， ．
叶冠的边界条件很难接近真实的条件 ． 采用三 个 叶 片 的 模 型 进 行 计 算 （ 如图４所 ， 示） 两边叶片叶冠的阻尼面设置固支或法向约束 的边界条件 ， 它们 与 中 间 叶 片 叶 冠 相 互 接 触 的 阻 尼面设置接触边 界 条 件 ， 最后的计算结果采用中 间叶片的 ． 这样的 处 理 方 法 被 证 明 了 是 比 较 接 近
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ８ ０ ５ ５ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ７ ４ ５ ０ ７ － － －
基于ｉ Ｓ Ｉ Ｇ Ｈ Ｔ 的涡轮叶片叶冠优化设计
樊 江 ， 曾维维 ， 王荣桥 ， 申秀丽 ， 陈志英
（ ） 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １
摘 要 ： 在建立起某型发动机涡轮叶片叶冠参 数 化 模 型 的 基 础 上 ， 以ｉ 集成了结构 Ｓ Ｉ ＧＨＴ 为 优 化 平 台 ， 建模和计算分析软件 ， 构建并实现了 涡 轮 叶 冠 优 化 设 计 流 程 ． 依 据 该 方 法， 成功实现了在保证涡轮叶冠结构 强度的前提下降低质量 １． 此外 ， 通过对涡轮叶冠部分参数组合的 研 究 ， 得到了阻尼面与发动 ０％ 以上的目标 ． 机轴线夹角α 与阻尼面压应力之间的关系 ． 该研究也给复杂模型的结构设计优化提供了可供借鉴的方法 ． 关 键 词 ： 涡轮叶片叶冠 ； 参数化 ； 有限元法 ； ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 软件 ； 优化设计 中图分类号 ：Ｖ ２ １ ４ ． １ ９ 文献标志码 ：Ａ
３ 叶冠优化流程的设计与实现
优化 的 三 要 素 （ 优 化 模 型） 为 设 计 变 量、 约束 优化的过程其实就是在约束条 条件和目标函数 ． 件的范围内 ， 依照某种方式不断地改变设计变量 ，
图 ４ 分析模型 Ｆ ｉ ． ４ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｇ ｙ
直到寻找到最符合目标函数的设计变量值 ． 叶冠参数化模型的建立为优化提供了参数可 变的 优 化 对 象 ， 而 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ的 ） 语言 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ（ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｌ ａ ｎ ｕ ａ ｅ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｇ ｇ ｇ ｐ 又为优化提供了对模型进行自动分析和输出结果 的支持 ， 结合ｉ 本文 Ｓ Ｉ ＧＨＴ 优化平台的集成功能 ， 提出了如下的叶冠优化流程 （ 图 ６） 其中的“ 读取 ． ） 参数 ” 和“ 更 新 模 型” 是 利 用 ＵＧ（ 二 ｕ ｎ ｉ ｒ ａ ｈ ｉ ｃ ｓ ｇ ｐ 该过程重点需要解决数据流 次开发编写的程 序 ． （ 图中箭头所示 ） 的自动传输问题 ．
； 修订日期 ： 收稿日期 ： ２ ０ １ ０ ０ ３ ０ ８ ２ ０ １ ０ ０ ６ ２ ２ － － － － ， ／ ／ 作者简介 ： 樊江 （ 男， 四川永川人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事航空发动机 Ｃ １ ９ ７ ３－ ） Ａ Ｄ Ｃ Ａ Ｅ Ｐ ＤＭ 及多学科设计优化的研究 ．
薄叶型 ． 叶冠设计成 功 与 否 将 直 接 影 响 叶 片 的 强 度 、 振动 、 可靠性 、 寿命甚至发动机 、 飞机的安全 ． 由于 叶冠设计问题引发的发动机故障也屡见不鲜且影
ｘ １ ｘ ２ ｘ ３ ｘ ４ ｘ ５ ｘ ６ ｘ ７ ｘ ８ ｘ ９ ｘ １ ０ ｘ １ １ ｘ １ ２
ａ ｂ ｇ ｈ ａ １ ｂ １
图 ２ 叶冠模型 Ｆ ｉ ． ２ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｇ
［ ３］ 结合发动机设计手册 和叶冠分析的相关文 ］ ， 提取 该 模 型 的 参 数 如 表 １ 所 示 ． 各参数 献［ ４ ７ － ， 所对应的位置见图 ３． 叶冠预扭角取 １ 间隙值取 °
０ ． ２ ５ｍｍ．
表 １ 模型参数 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｐ 模型 参数 ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 中 对应参数
］ ６ ７ － 实际情况的 ［ ．
第４期
樊 江等 ： 基于ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 的涡轮叶片叶冠优化设计
７ ４ ７
线号在优化中并 不 发 生 变 化 ， 因此自动分网能够 同时为了尽可能保 实现对重点线面 的 网 格 细 化 ． 证计算精度 ， 自动分网时采用了 ２ ０ 节点的高精度
１ １］ 网格 ［ ．
］ １ ２ － 响巨大 ［ ．
目前国内外研究叶冠的文献大多数聚焦于对 对 已有的模型进行 结 构 强 度 和 振 动 方 面 的 分 析 ， 于叶冠的优化设计涉及较少 ．
７ ４ ６
航 空 动 力 学 报
第２ ６卷
１ 叶冠参数化模型的建立
叶冠主要分为平行四边形叶冠和锯齿形叶冠 （ ） 图１ 锯齿冠由于可以克服平行四边形叶冠阻 ． 尼面磨损不一致 的 缺 点 ， 在当前的发动机中得到 了比较广泛的应 用 ． 某型发动机采用的是锯齿形 ） 叶冠 ， 上端带封严齿 （ 图２ ．
（ ， Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｊ ｅ ｔ Ｐ ｒ ｏ ｕ ｌ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ ，Ｂ ） Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ｅ ｉ ｉ ｎ １ ０ ０ １ ９ １，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ：Ｂ ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ，ａ ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ ａ ｓ ａ ｎ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎ ｄ ｅ ｍ ｌ ｏ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｐ ｙ ｇ （ ） ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ Ｆ ＥＭ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ － ｐ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｉ ｔ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｓ ｍ ａ ｓ ｓ（ ａ ｔ ｌ ｅ ａ ｓ ｔ １． ０％ ） ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｋ ｅ ｅ ｉ ｎ ｙ ｐ ｇ ， ｉ ｔ ｓ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔ ｈ ｂ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｓ ｏ ｍ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ － ｐ ｇ ｙ ’ ，ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｓ ａ ｍ ｏ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ａ ｎ ｌ ｅ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ αａ ｐ ｇ ｐ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ． Ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｐ ｐ ｇ ｐ ｓ ｉ ｍ ｉ ｌ ａ ｒ ｃ ｏ ｍ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ． ｐ ：ｔ ；ｐ ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ（ Ｆ ＥＭ） ｙ ；ｏ ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｐ ｇ 涡轮叶片是航空发动机中最为复杂的零件之 一． 它的 设 计 要 涉 及 叶 冠 、 叶 身、 缘 板、 伸 根、 榫头 等诸多结构 ， 其中叶冠的设计极为关键 ． 叶冠可减小 叶 片 尖 部 由 叶 盆 向 叶 背 的 漏 气 ， 降低二次损失 ， 提高涡轮效率 ； 相邻叶片的叶冠抵 紧后可以减小叶 片 的 扭 曲 变 形 和 弯 曲 变 形 ， 增强 叶片的刚性 ， 提高叶片的振动频率 ； 当叶片产生振 动时相邻叶冠间 发 生 摩 擦 可 以 吸 收 振 动 能 量 ， 起 到减振作用 ； 带冠 叶 片 还 可 以 采 用 对 气 动 有 利 的
参数解释 非阻尼面与发动机轴线夹角 一端封严齿的高度 另一端封严齿的高度 阻尼凸台半宽 中心线到一端面的距离 中心线到另一端面的距离 中部小凸台厚 叶冠厚度 封严齿定位尺寸 封严齿定位尺寸 阻尼凸台厚 阻尼面与发动机轴线夹角
θ ｈ １ ｈ ２ ｈ ｆ
图 １ 常见两种叶冠 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｗ ｏ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｇ ｙ ｐ
ｔ ｇ α
图 ３ 参数对应位置 ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｆ ｉ ． ３ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｐ ｇ ｐ ｇ
２ 叶冠的热固耦合分析
带冠涡轮叶片 所 受 的 载 荷 主 要 涉 及 气 动 、 离 心和热等外部负荷 ． 叶冠不仅会受到叶身 ， 而且还 会受到相邻叶冠 的 影 响 ， 所以其分析和计算比较 复杂 ． 本文采用有限元法对模型进行分析 ． 因叶冠间存在 间 隙 ， 在工作中会存在相互接 触、 摩擦及分离等情况 ， 所以叶冠边界条件十分复
Ｏ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｂ ｌ ａ ｄ ｅ ｓ ｈ ｒ ｏ ｕ ｄ ｐ ｇ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ Ｓ Ｉ Ｇ Ｈ Ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ
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பைடு நூலகம்
］ ４ ５ － 杂［ 这使得在 对 涡 轮 叶 冠 进 行 有 限 元 分 析 时 ， ．
叶冠的边界条件很难接近真实的条件 ． 采用三 个 叶 片 的 模 型 进 行 计 算 （ 如图４所 ， 示） 两边叶片叶冠的阻尼面设置固支或法向约束 的边界条件 ， 它们 与 中 间 叶 片 叶 冠 相 互 接 触 的 阻 尼面设置接触边 界 条 件 ， 最后的计算结果采用中 间叶片的 ． 这样的 处 理 方 法 被 证 明 了 是 比 较 接 近
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ８ ０ ５ ５ ２ ０ １ １ ０ ４ ０ ７ ４ ５ ０ ７ － － －
基于ｉ Ｓ Ｉ Ｇ Ｈ Ｔ 的涡轮叶片叶冠优化设计
樊 江 ， 曾维维 ， 王荣桥 ， 申秀丽 ， 陈志英
（ ） 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １
摘 要 ： 在建立起某型发动机涡轮叶片叶冠参 数 化 模 型 的 基 础 上 ， 以ｉ 集成了结构 Ｓ Ｉ ＧＨＴ 为 优 化 平 台 ， 建模和计算分析软件 ， 构建并实现了 涡 轮 叶 冠 优 化 设 计 流 程 ． 依 据 该 方 法， 成功实现了在保证涡轮叶冠结构 强度的前提下降低质量 １． 此外 ， 通过对涡轮叶冠部分参数组合的 研 究 ， 得到了阻尼面与发动 ０％ 以上的目标 ． 机轴线夹角α 与阻尼面压应力之间的关系 ． 该研究也给复杂模型的结构设计优化提供了可供借鉴的方法 ． 关 键 词 ： 涡轮叶片叶冠 ； 参数化 ； 有限元法 ； ｉ Ｓ Ｉ ＧＨＴ 软件 ； 优化设计 中图分类号 ：Ｖ ２ １ ４ ． １ ９ 文献标志码 ：Ａ
３ 叶冠优化流程的设计与实现
优化 的 三 要 素 （ 优 化 模 型） 为 设 计 变 量、 约束 优化的过程其实就是在约束条 条件和目标函数 ． 件的范围内 ， 依照某种方式不断地改变设计变量 ，
图 ４ 分析模型 Ｆ ｉ ． ４ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｇ ｙ
直到寻找到最符合目标函数的设计变量值 ． 叶冠参数化模型的建立为优化提供了参数可 变的 优 化 对 象 ， 而 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ的 ） 语言 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ（ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｌ ａ ｎ ｕ ａ ｅ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｇ ｇ ｇ ｐ 又为优化提供了对模型进行自动分析和输出结果 的支持 ， 结合ｉ 本文 Ｓ Ｉ ＧＨＴ 优化平台的集成功能 ， 提出了如下的叶冠优化流程 （ 图 ６） 其中的“ 读取 ． ） 参数 ” 和“ 更 新 模 型” 是 利 用 ＵＧ（ 二 ｕ ｎ ｉ ｒ ａ ｈ ｉ ｃ ｓ ｇ ｐ 该过程重点需要解决数据流 次开发编写的程 序 ． （ 图中箭头所示 ） 的自动传输问题 ．
； 修订日期 ： 收稿日期 ： ２ ０ １ ０ ０ ３ ０ ８ ２ ０ １ ０ ０ ６ ２ ２ － － － － ， ／ ／ 作者简介 ： 樊江 （ 男， 四川永川人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事航空发动机 Ｃ １ ９ ７ ３－ ） Ａ Ｄ Ｃ Ａ Ｅ Ｐ ＤＭ 及多学科设计优化的研究 ．
薄叶型 ． 叶冠设计成 功 与 否 将 直 接 影 响 叶 片 的 强 度 、 振动 、 可靠性 、 寿命甚至发动机 、 飞机的安全 ． 由于 叶冠设计问题引发的发动机故障也屡见不鲜且影