CN104915500A

CN104915500A - 粉末注射成形涡轮及其结构优化设计方法

Info

Publication number: CN104915500A
Application number: CN201510316180.9A
Authority: CN
Inventors: 黄若; 曹宁; 白晓松
Original assignee: Pingxiang Huicheng Precision Machinery & Electronic Co Ltd
Current assignee: Pingxiang Huicheng Precision Machinery & Electronic Co Ltd
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN104915500B

Abstract

本发明公开了粉末注射成形增压器涡轮的结构优化设计方法，它以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足强度要求和使用寿命要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构的优化数学模型，本发明采用粉末注射成形工艺，有效去除了精密铸造固有的热裂、缩孔、缩松等缺陷。同时可减少优化过程中的约束条件，可以改变涡轮现有的结构形式，从而最大化地对其进行结构优化，通过该优化设计方法来确定的涡轮各部份尺寸，可在满足涡轮结构强度要求和使用要求的前提下，又能最大量化减轻涡轮质量，实现涡轮的轻量化。

Description

粉末注射成形涡轮及其结构优化设计方法

技术领域

本发明属于燃气叶轮机械涡轮结构设计研究领域，具体涉及一种粉末注射成形涡轮减重新型结构以及多目标优化设计方法。

背景技术

涡轮增压是当今世界活塞式内燃机技术发展的主要方向之一，是发动机强化的最主要途径。发动机采用涡轮增压技术可以大幅度提高输出功率、提高体积与重量功率密度（强化发动机节约了资源），改善经济性、节约能源，改善排气污染、减轻噪声，补偿高原环境的功率损失。涡轮增压器的核心零部件是位于涡轮室内由热废气流推动的涡轮，以及位于冷空气一侧的压气机叶轮。压气机叶轮只需耐受较低的温度，铝制叶轮性能就能完全满足要求，材料一般为铝合金材料，密度为3000Kg/m³。而涡轮工作在高温燃气环境中，必须具有良好的耐高温以及耐腐蚀性，其材质一般采用昂贵的K418 镍基铸造合金,这种材料的密度一般为8000Kg/m³。涡轮叶轮密度是压气机叶轮密度的2～3倍,使得涡轮叶轮与压气机叶轮组成的增压器转子质量分配很不均匀,轴承支承位置偏置，涡轮端悬臂过长，转子动力学性能不佳。因此,对涡轮叶轮进行结构优化、尽量减轻其重量是非常必要的。目前，车用涡轮增压器涡轮叶轮的生产全部采用精密铸造工艺,该方法生产效率低，尺寸精度和表面光洁度较差，后续加工余量大。另外，由于涡轮结构复杂，叶片和轴部截面尺寸相差较大，采用精密铸造浇铸涡轮时，极易产生热裂、缩孔、缩松等缺陷，导致涡轮废品率较高。因此，基于传统精密铸造生产工艺无法对涡轮进行有效的结构优化，优化结果反而会造成加工困难，提高生产成本和废品率。

粉末注射成形技术是目前世界上最热门的精密复杂零件成形技术，该技术可制造传统方法难以制造、甚至不能直接制造的零件，目前已广泛应用于航天航空、电子、汽车与医疗领域中。采用粉末注射成形涡轮叶轮较传统精密铸造制造的涡轮，内部微观组织更均匀，机械、力学性能更高，且材料利用率可达95%以上，这对节约镍基高温合金等战略材料意义重大。此外，和精密铸造尺寸精度±1%相比，粉末注射成形可达到±0.3%，表面粗糙值更小，在最小直径、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面都显示出优势。同时注射成形模具设计更加灵活，可以拓宽涡轮叶片型面与结构设计范围。因此，在结合粉末注射成形技术的基础上，有必要用先进的优化设计方法对涡轮结构进行以减重为主要目的的优化设计。

所述粉末注射成形的涡轮包括径流涡轮、混流涡轮与轴流涡轮，属于叶轮机械领域，如车用涡轮增压器涡轮、微型燃气叶轮机械涡轮等各种动力机械、工作机械所用的涡轮等等。目前，叶轮机械叶片成型主要有“骨架成型法”与“双回转中心法”两种方法。粉末注射成形涡轮不改变涡轮的成形方法，但是可以改变：（1）叶片工作曲面的复杂程度与成形精度；（2）改变叶轮轮毂的结构，如：将实心轮毂改变为空心轮毂、将圆柱形盲孔或通孔轮毂改变为任意形状——梅花、六方、五角形状通孔或盲孔。这是由粉末注射成形技术特点——注射成形可以净近形成形比精密铸造、机械加工更复杂的零件——所决定的。当然，改变形状的目的是在保证叶轮使用性能的前提下，节约材料、减少涡轮重量以减少转动惯量、提高涡轮转子加速性能等等。）

目前，我国已有的申请专利中并不涉及粉末注射成形涡轮结构多目标优化设计方法。《增压器涡轮叶轮减重新型结构》（200710062697.5）中提出一种新型涡轮减重结构；《一种增压器涡轮转子》（201320383067.9）中提出一种新型增压器涡轮减重结构；《一种涡轮转子》（20132083084.2）提出一种新型涡轮减重结构；《一种增压器涡轮转子减重结构》（201320383127.7）提出一种新型增压器涡轮转子减重结构；《一种涡轮转子减重结构》（20132.383160.X）提出一种新型涡轮转子减重结构。《一种高负荷涡轮转子叶片陶芯减重结构》（201320417573.5）提出一种新型涡轮转子叶片减重结构。上述发明专利的技术方案均通过改变涡轮结构来实现涡轮转子的轻量化，使涡轮增压器转子系统质量分配趋于合理，提高转子系统的动力性。但是提出的结构并非是通过优化技术所得，也并不涉及涡轮结构优化设计方法，以上专利中提出的新型涡轮结构都不是最优结构。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的缺陷，本发明目的在于提供一种粉末注射成形涡轮新型结构及优化设计方法，将粉末注射成形技术与结构优化技术设计方法相结合，得到一种全新结构的粉末注射成形涡轮。

本发明通过采用粉末注射成形工艺可以使涡轮具有非常均匀的微观结构，具有更优异的力学性能。利用该工艺特有的注射成形方法，可以改变涡轮现有的结构形式，从而最大化地对其进行结构优化，通过采用全新的优化设计方法来设计涡轮结构，在涡轮结构满足强度和使用要求的前提下，实现涡轮的轻量化。

另外，本发明还提出一种以粉末注射成形工艺为基础，针对涡轮结构的多目标优化设计方法。该优化方法将涡轮质量和应力集中系数作为优化目标，可以有效解决优化后应力集中问题。此外，由于该方法是基于粉末注射成形工艺进行优化，在优化过程中可以忽略优化结果对生产成本和加工工艺的影响，从而减少优化过程中的约束条件，提高优化设计空间。

本发明所述粉末注射成形增压器涡轮，它包括轮毂和间隔设置在轮毂上的叶轮，在轮毂上设置有与轮毂同心的中间孔，所述中间孔为彼相连的通孔或其两内端相隔的盲孔，所述轮毂底端设置有环形槽，所述环形槽与轮毂同心。

所述中间孔包括上圆孔和下圆孔，其横截面为圆形、梅花形或正多边形等，叶轮设置方向有三种，一种介于轮毂径向和轴向之间，即与轮毂轴心线成一定夹角；二种是与轮毂轴心线平行，即与轮毂径向成90度夹角；三种是与轮毂轴心线垂直，即与轮毂径向平行。

所述环形槽横截面为圆弧形、方形、三角形或是与相对边保持等距离的所形成的异形等。

本发明所述粉末注射成形增压器涡轮的结构优化设计方法，它包括以下步骤：

a、以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足强度和使用要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构的优化数学模型：

目标函数如下，即，设计变量：，约束条件：；

式中，为涡轮质量；为涡轮最高转速下的应力集中系数；为设计变量；为设计变量的个数；为涡轮最大等效应力；为涡轮屈服极限强度；分别为各设计变量的上下限值；

b、采用方法进行计算，得到目标函数值的矩阵，用矩阵建立如下三个线性方程来求得目标函数的加权因子W、W2和待定常数C，

式中，为目标函数个数、为目标函数值的矩阵、为待定常数；

c、建立评价函数如下：Min：

式中，为评价因子；是涡轮结构质量的理想值；是最高转速下应力集中系数的理想值；为指数；分别为各目标函数的加权因子；

d、通过ANSYS求出多组不考虑应力集中系数下的设计变量X，得到涡轮多目标优化解集，然后，将每组设计变量所对应的M和K代入评价函数中，求出每组设计变量所对应的评价因子Z。

e、通过ANSYS求出多组设计变量得到涡轮多目标优化解集，解集中含有若干组数据，每组数据中包含多个设计变量的值，每组数据对应一个M和K，

f、将每组数据所对应M和K代入评价函数中，求出每组数据对应的评价因子Z，从所有评价因子中选取评价因子最小值作为最优结果Z_min，根据 Z_min选取所对应的设计变量，将此组设计变量作为最终涡轮结构各设计变量优化结果。

所述方法是一种希望各分目标函数都尽可能趋近最理想值的方法。方法基本原理如下：

先分别求出各个分目标的约束最优解，然后用此q个点分别计算出各个目标函数的相应的值，例如，用点可以计算出。设各个分目标函数的最优点分别为，对应的各个目标函数最优值为：以此类推，直至计算出。这样，就可以得到一个目标函数值的矩阵，用此矩阵可建立如下的求加权因子的线性方程组，即：

该式是一个从q+1方程中求q+1个未知数的问题，可以有它的确定解。）

本发明综合现有涡轮的结构，提出了新型结构的增压器涡轮（如图1所示结构为其中的一种），并提出了一种如何来优化设计新结构涡轮各部份尺寸的设计方法，通过该优化设计方法来确定的涡轮各部份尺寸，可在满足涡轮结构强度要求和使用要求的前提下，又能最大量化减轻涡轮质量。

本发明有以下有益效果：

1、将粉末注射成形技术与结构优化设计方法相结合，得到一种新型涡轮结构，是对现有涡轮生产工艺和结构形式的全面优化。在保证涡轮结构强度和使用要求的前提下有效地减轻了涡轮重量，减少了材料的消耗，降低成本，批量生产经济效益将更加明显。由于涡轮转子重量的减轻，减小的转动惯量，有效改善了涡轮增压器的加速性能，同时，也使转子系统质量分配趋于合理，提高转子系统的稳定性，也有利于提高增压器轴系的效率和可靠性。

2、由于采用粉末注射成形工艺，该涡轮具有非常均匀的微观组织结构，烧结密度高，具有更优异的力学性能，有效去除了精密铸造固有的热裂、缩孔、缩松等缺陷。同时，该工艺可减少优化过程中的约束条件，提高优化设计空间。

3、本发明提出的多目标优化设计方法将涡轮质量和最高转速下的应力集中系数作优目标函数，可以有效解决优化后应力集中问题。使该涡轮结构具有质量最轻，最高转速下应力集中系数最小的优点。由于采用粉末注射成形工艺，利用该方法所得优化结构不会对生产成本和加工难度产生不利影响。

附图说明

图1是本发明所述优化前的涡轮主剖视结构示意图，

图2是本发明所述优化后的涡轮主剖视结构示意图，

图3是本发明所述优化后的涡轮各变量示意图

图4是JP60涡轮主剖视结构示意图。

在图中，1、轮毂 2、叶轮 3、环形槽 4、下圆孔 5、上圆孔。

具体实施方式

在图1和图2中，其中图1是优化前涡轮主剖视结构示意图，图2是本发明所述优化后的涡轮主剖视结构示意图。

所述粉末注射成形增压器涡轮，它包括轮毂1和等间隔（或不等间隔）设置在轮毂上的叶轮2，在轮毂上端和下端分别设置有与轮毂同轴心的下圆孔4和上圆孔5，所述上圆孔和下圆孔为其两内端相隔的盲孔，盲孔最好为圆锥孔（相当于带有拔模斜度的圆孔），所述轮毂底端设置有环形槽3，所述环形槽与轮毂轴同心，以车用涡轮增压器JP60涡轮为具体实施例（见图4），涡轮进口直径Φ53mm、出口直径Φ46.2mm，最大重量为124.776g。本发明优化后的该涡轮结构与优化前结构相比结构上发生变化，除已有的尺寸外，新增了上圆孔、下圆孔和环形槽三个技术特征，每个技术特征包括至少一个尺寸变量，即有上圆孔的孔径和深度尺寸变量；下圆孔的孔径和深度尺寸变量；环形槽深度尺寸变量和下圆孔的拔模斜度共七个变量（如图3所示）。

本发明采用如下方法来确定最佳的上述七个变量。

a、以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足强度要求和使用要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构的优化数学模型：

目标函数如下，即，设计变量：，约束条件：；

式中，为涡轮质量；为涡轮最高转速下的应力集中系数；为设计变量；为设计变量的个数；为涡轮最大等效应力；为涡轮屈服极限强度；

分别为各设计变量的上下限值如下表达式如下表1所示：

表1为各设计变量取值范围

b、采用方法进行计算得到目标函数值的矩阵，用矩阵建立如下三个线性方程来求得目标函数的加权因子W、W2和待定常数C，

公式（1）

将F_ij代入公式(1)得：

整理可得：求解此三个方程可求出W₁、W₂和C。

矩阵中101.209和9.83分别为涡轮最大应力为屈服极限时的涡轮质量和应力集中系数；124.776和2.91分别为涡轮优化前的涡轮质量和应力集中系数。

将f_ij代入到公式(3)中，可得到三个方程，可以求得W₁＝0.227、W₂＝0.773和C=30.573。

c、建立评价函数如下：Min：公式（2）

在求时，需要先分别确定各个分目标函数的约束最优解，然后用此n个点分别计算出各个目标函数的相应的值”。对于此例，也就是需要先确定涡轮质量和涡轮最高转速下应力集中系数两个目标函数的最优解。“在计算过程中不考虑应力集中系数的影响，只需得到当最大应力为屈服极限时涡轮的质量即可，将该值作为涡轮结构质量的理想值，该点作为涡轮质量最优解点。目标函数值矩阵中的应力集中系数最优解点通过计算优化前涡轮结构的应力集中系数获得。应力集中系数影响涡轮的使用寿命，优化前的涡轮已经满足使用要求，优化后的涡轮应满足使用要求，不影响使用寿命。因此，将优化前涡轮结构的应力集中系数作为最高速旋转下涡轮应力集中系数的理想值，该点作为最高转速下涡轮应力集中系数最优解点。根据这个方法确定涡轮质量最优解点和应力集中系数最优解点，然后分别求出这两个点的涡轮质量和应力集中系数。101.209和9.83是涡轮质量最优解点时的涡轮质量和应力集中系数；124.776和2.91是应力集中。

e、通过ANSYS软件求出多组设计变量得到涡轮多目标优化解集，解集中含有若干组数据，每组数据中包含多个设计变量的值，每组数据对应一个M和K，通过ANSYS求出多组设计变量（多组设计变量是ANSYS按照结构质量最小求解，此时不考虑应力集中系数），得到涡轮多目标优化解集。然后，将每组设计变量所对应的M和K代入公式(2)中求出每组设计变量对应的评价因子Z。从结果中选取最小值作为最优结果Z_min，同时可以得到Z_min所对应的设计变量，将此组设计变量作为最终优化结果。

（这是多目标优化的大体思路，这种优化方法就是同时考虑了结构质量和应力集中系数两个目标函数，对ANSYS的求解结果进行了处理。主要是为了使自己的优化方法与别的有所区别。但是在计算过程中限于时间关系只是把ANSYS的优化结果作为结果，

f、将每组数据所对应M和K代入评价函数中，求出每组数据对应的评价因子Z，从所有评价因子中选取评价因子最小值作为最优结果Z_min，根据 Z_min选取所对应的设计变量，将此组设计变量作为最终涡轮结构各设计变量优化结果（如表2所示）

设计变量	PA_1	PA_2	PA_3	PA_4	PA_5	PA_6	PA_7
								优化前	7	4.5	0	0	6	5	0
优化后	12	19	2	4	9	6	2

表2为优化前后各设计变量对比表

将优化后的涡轮各部份尺变量值进行设计，PA_1＝12，PA_2＝19，PA_3＝2，

PA_4＝4，PA_5＝9，PA_6＝6，PA_7＝2为最佳设计值，也就是说在上述7个变量值优化确定后，此时，涡轮在能确保满足强度要求和使用要求的前提下，涡轮质量最轻。

本发明中所述ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件提供功能包括：结构分析、电磁分析、流体动力学分析，设计优化、接触分析、自适应网格划分、参数设计语言等功能。

Claims

1. 粉末注射成形增压器涡轮，它包括轮毂（1）和间隔设置在轮毂上的叶轮（2），其特征是：在轮毂上设置有与轮毂同心的中间孔，所述中间孔为彼相连的通孔或相隔的盲孔，所述轮毂底端设置有环形槽（3），所述环形槽与轮毂同心。

2.根据权利要求1所述的粉末注射成形增压器涡轮，其特征是：所述中间孔横截面为圆形、梅花形或正多边形。

3.根据权利要求1所述的粉末注射成形增压器涡轮，其特征是：所述环形槽横截面为圆弧形、方形、三角形或是与相对边保持等距离的所形成的异形。

4.一种粉末注射成形增压器涡轮的结构优化设计方法，它包括以下步骤：

a、以涡轮结构质量最轻和最高转速下涡轮的应力集中系数最小，在确保涡轮结构满足强度要求和使用寿命要求的前提下，优化设计目标函数，以涡轮在最高转速工作状态下的最大等效应力为约束条件，以涡轮结构减重特征几何尺寸为设计变量，建立所述涡轮结构的优化数学模型：

目标函数如下，即，设计变量：，约束条件：；

c、建立评价函数如下：Min：

d、通过ANSYS求出多组不考虑应力集中系数下的设计变量X，得到涡轮多目标优化解集，然后，将每组设计变量所对应的M和K代入评价函数中，求出每组设计变量所对应的评价因子Z；

f、将每组数据所对应M和K代入评价函数中，求出每组数据对应的评价因子Z，从所有评价因子中选取评价因子最小值作为最优结果Z_min，根据 Z_min选取所对应的设计变量，将该组设计变量作为最终涡轮结构优化设计各变量结果。