CN107679270A - 离心压气机优化设计方法及系统 - Google Patents

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CN107679270A CN201710748587.8A CN201710748587A CN107679270A CN 107679270 A CN107679270 A CN 107679270A CN 201710748587 A CN201710748587 A CN 201710748587A CN 107679270 A CN107679270 A CN 107679270A
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impeller
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岳珠峰
孙守义
高文静
仝福娟
康家磊
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Abstract

本公开提供了一种离心压气机优化设计方法及系统，涉及离心压气机设计技术领域，该方法包括：根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；根据优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化处理，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。本公开避免了由于不满足结构强度要求而造成的重复设计，从而提高了离心压气机的设计效率。

Description

离心压气机优化设计方法及系统
技术领域
本公开涉及离心压气机技术领域，具体而言，涉及一种离心压气机优化设计方法及离心压气机优化设计系统。
背景技术
离心压气机由于具有结构简单紧凑、单级增压比高、运行稳定裕度大等特点，被广泛应用于高压比、高转速的涡轮增压器中。随着高压比离心压气机的发展，离心叶轮承受更高的转速、温度以及气动力，因此离心叶轮也更容易发生结构强度失效。
目前，离心压气机的总体方案设计主要是基于一维气动热力学计算方法进行一维定常计算，进而确定叶轮的基本几何参数并对气动性能进行初步预估。但是，相关技术中所有的强度计算过程均是在详细设计阶段进行的，而在在总体方案设计阶段，并未提出强度预估方法，这样可能会导致一旦总体设计方案不能满足后续结构、强度的设计要求，影响离心压气机的质量和可靠性。因此在总体方案设计阶段，对离心压气机进行多学科设计分析，对于设计高性能离心压气机至关重要。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种离心压气机优化设计方法以及离心压气机优化设计系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种离心压气机优化设计方法，包括：
根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
在本公开的一种示例性实施例中，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数包括：
以叶轮进口轮缘马赫数最小为目标，采用非线性规划法确定所述叶轮进口的几何参数以及所述叶轮进口轮缘的相对速度。
在本公开的一种示例性实施例中，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数还包括：
根据所述叶轮进口的所述几何参数确定当前离心压气机的级效率；
根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数包括：
对所述当前离心压气机的所述级效率进行迭代计算，以确定所述叶轮出口的级压比；
在所述叶轮出口的所述级压比为预设值时，确定所述叶轮出口的直径以及叶片出口高度。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述离心压气机进行气动效率计算包括：
根据所述初始参数以及损失模型计算与所述损失模型对应的损失，并根据所述损失计算所述离心压气机的效率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述损失包括攻角损失、叶片载荷损失、表面摩擦损失、间隙损失、混合损失、轮盘摩擦损失、无叶扩压器损失以及回流损失。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述离心压气机进行强度计算包括：
根据所述初始参数对所述离心压气机的叶轮进行强度计算，以计算所述叶轮的最大等效应力。
在本公开的一种示例性实施例中，基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化包括：
以所述离心压气机的气动效率最大为目标，并以叶轮的最大等效应力、最大压比以及叶轮进口轮缘最大马赫数为边界条件，对所述初始参数进行优化处理。
在本公开的一种示例性实施例中，所述强度计算包括一维强度计算。
根据本公开的一个方面，提供一种离心压气机优化设计系统，包括：
仿真模块，用于根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
测试模块，用于根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
优化模块，用于基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
本公开一种示例实施例提供的离心压气机优化设计方法及系统中，一方面，通过在总体设计时对离心压气机进行强度预估，可以避免由于设计不符合要求而造成的反复设计，从而提高离心压气机的设计效率；另一方面，通过优化模型和预设算法对离心压气机的参数进行优化，提高离心压气机的气动效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其他特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。在附图中：
图1示意性示出本公开示例性实施例中一种离心压气机优化设计方法的流程示意图。
图2示意性示出本公开示例性实施例中离心压气机的特征截面示意图。
图3示意性示出本公开示例性实施例中离心压气机总体方案设计的流程示意图。
图4示意性示出本公开示例性实施例中单目标优化迭代过程示意图。
图5示意性示出本公开示例性实施例中一种离心压气机优化设计系统的框图示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其他的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其他情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本示例性实施例中首先公开了一种离心压气机优化设计方法。参考图1中所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤S110.根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
步骤S120.根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
步骤S130.基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
根据本示例实施例中的离心压气机优化设计方法，通过对离心压气机进行模拟仿真，并进行气动效率计算和强度计算以确定最优设计参数。一方面，通过在总体设计时对离心压气机进行强度预估，可以避免由于设计不符合要求而造成的反复设计，从而提高离心压气机的设计效率；另一方面，通过优化模型和预设算法对离心压气机的参数进行优化，提高离心压气机的气动效率。
接下来，结合图1至图4对本示例实施方式中离心压气机优化设计方法的各个步骤进行详细说明。
在步骤S110中，根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数。
在本示例性实施例中，参考图2所示，各特征截面可以包括：离心叶轮进口201，离心叶轮出口202，扩压器入口203，扩压器出口204。离心压气机的多个输入参数可以如表1所示。可以根据给定的输入参数对离心压气机进行仿真计算，并分别获取离心压气机各个特征截面的初始参数。
由于堵塞和失速两个流量之差随叶轮进口相对马赫数的增加而显著减小，而离心压气机叶轮进口初步设计目的是在满足给定的质量流量及结构要求的前提下，使叶轮进口轮缘处马赫数最小。因此，可以以叶轮进口轮缘处马赫数最小为目标，确定叶轮进口的初始参数。
表1离心压气机总体方案设计设计的输入参数
进口总压(Pa) 101325 轮毂进口平均厚度(mm) 3.0
进口总温(K) 288.15 轮缘进口平均厚度(mm) 1.5
流量(kg/s) 6.0 出口平均厚度(mm) 1.5
压比 5.2 进口轮缘轮毂速度比 1.15
转速(rpm) 30000 叶片数 10
压气机叶轮预估效率 0.9 扩压器进出口速度比 0.38
压气机级预估效率 0.8 叶片后弯角(°) -30
轮毂/轮缘半径比 0.35 叶片顶部间隙(mm) 0.6
叶轮材料密度(kg/m3) 4440 扩压器出口/入口半径之比 1.1
本示例性实施例中，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数可以包括：
以叶轮进口轮缘马赫数最小为目标，采用非线性规划法确定所述叶轮进口的几何参数以及所述叶轮进口轮缘的相对速度。
具体地，进行离心压气机进口初步设计时，输入参数可以包括叶轮进口总压P0、总温T0及质量流量并根据经验选定叶轮旋转速度n、进口预旋α1、阻塞因子B和轮毂—轮缘半径比rlh/rls或轮毂半径rlh。
需要注意的是，在给定的输入参数中，离心压气机的进口轮毂比dlh/dls一般取值范围为0.3-0.5，叶轮进出口直径比dls/d2，一般控制在0.5-0.8之间，阻塞因子可以为0.03，为避免叶轮进口提前进入堵塞状态，叶片顶部安装角需要大于20°。叶片出口安装角一般取值范围在35°-50°之间，同时可结合叶轮的其他几何参数并根据实际情况调整进行调整，以满足设计要求。叶轮进口几何参数的具体计算步骤如下：
第一步，计算叶轮进口的子午绝对速度Cm1、进口速度三角形有进口气流周向速度，以及绝对速度；
第二步，分别计算叶轮进口静温、静压、马赫数和流体密度等参数；
第三步，可以根据连续性方程以及公式(1)计算叶轮进口面积，从而得到如公式(2)所示的叶轮进口的几何参数，并据此得到叶轮轮缘周向速度、相对速度以及进口相对气流角。
或
第四步，可以对计算的参数进行迭代计算，以获得叶轮进口最小轮缘相对速度W1s，并且将与最小轮缘相对速度对应的几何参数确定为叶轮进口的初始参数。
接下来，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数还可以包括计算叶轮出口的几何参数，计算叶轮出口的几何参数包括：
根据所述叶轮进口的所述几何参数确定当前离心压气机的级效率；
根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数。
在本示例性实施例中，可以根据上述确定的叶轮进口的所述几何参数确定当前离心压气机的级效率，并通过计算的级效率确定叶轮出口的几何参数，例如叶片出口后弯角、叶片高度以及叶轮直径。
所述叶轮出口的级效率的具体计算步骤如下：
第一步，给定输入参数进口总压、总温、质量流量、压比，并根据经验确定转子效率ηl、扩压器压力恢复系数CPD、滑移因子μ、进口轴向绝对速度Cm1、出口绝对气流角α2、转速n及叶片出口后弯角βB2；
第二步，计算离心压气机级中流体滞止焓增Δh0s以及叶轮做功Wx；
第三步，计算叶轮出口总温T02及叶轮出口周向速度U2，通过叶轮出口周向速度及转速计算叶轮出口直径d2，并计算叶轮出口气流周向和子午绝对速度，以及叶轮出口气体状态参数，其中：
第四步，根据连续性方程得到叶轮出口面积A2，并根据计算的叶轮出口面积计算叶片出口高度b2：
根据扩压器压力恢复系数计算离心压气机级出口压力，并计算新的离心压气机的级效率ηs：
P5＝P2+CPD(P02-P2) (6)
进一步地，在本示例中，根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数可以包括：
对所述当前离心压气机的所述级效率进行迭代计算，以确定所述叶轮出口的级压比；
在所述叶轮出口的所述级压比为预设值时，确定所述叶轮出口的直径以及叶片出口高度。
本示例中，在经过上述步骤计算出叶轮出口的级效率之后，可以对叶轮出口的级效率通过公式(3)至公式(7)进行迭代计算，并在计算的每一步迭代中通过级效率计算级压比。在计算的级压比为预设值时，可以将与当前级压比对应的叶轮出口面积和叶片出口高度确定为初始参数，此处的所述预设值可以根据而确定。
在级压比与预设值匹配或者误差在一定范围内时，可以将当前级压比对应的叶轮出口面积和叶片出口高度确定为初始参数；在级压比与预设值不一致时，可以连续进行迭代计算，以确定叶轮出口的几何参数。
最后，可以计算扩压器的几何参数，扩压器几何参数的具体计算步骤如下：
给定扩压器的输入参数进口总压、总温、质量流量，并确定扩压器半径比扩压器叶片前缘与叶轮出口距离比扩压器叶片展弦比同时选定扩压器进出口绝对速度比并估算扩压器出口绝对气流角α5；以及扩压器出口绝对速度C5；
通过上述参数以及给定的输入参数计算扩压器内气流总压损失：
其中，ρ3为扩压器进口密度、C3为扩压器进口绝对速度、W1s为叶轮进口轮缘相对速度、C5为扩压器出口绝对速度、Cmax，3＝C3(1+|α3，d-α3|ξc)其中ξc为输入系数。
根据扩压器出口总压P05计算扩压器出口流体密度:
根据连续性方程计算出口流量，并通过迭代计算，使得扩压器出口的流量满足质量守恒定律。
在将表1所述的输入参数通过软件或者其他平台进行模拟计算之后，可以根据公式(1)至公式(9)，计算出离心压气机各个特征截面的初始参数。所述初始参数包括叶轮进出口、扩压器进出口的几何参数以及气动参数，其具体数值可以参考表2所示。
表2离心压气机总体方案设计结果
轮缘半径(mm) 93.63 进口子午速度(m/s) 242.2
轮毂半径(mm) 32.77 进口轮缘相对气流角(°) 50.54
叶轮出口半径(mm) 164.87 进口轮毂相对气流角(°) 26.05
叶轮出口宽度(mm) 24.53 扩压器出口绝对气流角(°) 75.3
进口轮缘相对马赫数 1.12 压气机功率(kW) 1421.13
扩压器进口绝对气流角(°) 83.07
在步骤S120中，根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算。
在本示例性实施例中，可以根据表2所示的初始参数设计离心压气机，并通过所述初始参数进行性能分析，其中初始参数可以分为几何参数和气动参数，气动参数可以包括气流绝对速度、气流相对速度、气流切向速度、气体的温度、压力及密度等。该性能分析主要可以包括效率计算和强度计算，并且可以根据性能测试结果对根据初始参数设计的当前离心压气机进行分析，以判断所述离心压气机是否同时满足效率以及强度的要求。
具体而言，本示例实施方式中，对所述离心压气机进行气动效率计算可以包括：
根据所述初始参数以及损失模型计算与所述损失模型对应的损失，并根据所述损失计算所述离心压气机的效率。
在本示例性实施例中，损失可以包括攻角损失、叶片载荷损失、表面摩擦损失、间隙损失、混合损失、轮盘摩擦损失、无叶扩压器损失以及回流损失等类型中的一种或多种，且每种损失分别对应一个损失模型。然后可以通过计算的损失计算离心压气机的级效率。进一步地，可以根据输入参数得到的设计离心压气机的初始参数以及一个或多个损失模型，计算离心压气机对应一个损失模型的损失或者是对应多个损失模型的总损失，再根据计算的级效率得出总效率。本示例中计算的叶轮级效率为82.09％，转子效率为87.97％。
具体地，可以基于计算的各特征截面的气动参数结果，参照表3中不同类型的损失模型计算方法，计算得到离心压气机不同损失的大小，并据此获取叶轮的绝热级效率。级效率是指叶轮每级的效率，其计算过程如公式(10)所示：
其中，Δqth＝Cθ2U2-Cθ1U1，Δq分别表示与不同损失模型相对应的损失。
表3不同损失模型
此外，本示例实施方式中，还可以对离心压气机进行强度计算，以保证设计的离心压气机满足强度的要求，其中对所述离心压气机进行强度计算可以包括：
根据所述初始参数对所述离心压气机的叶轮进行强度计算，以计算所述叶轮的最大等效应力。
在本示例性实施例中，叶轮的最大等效应力可以相当于叶轮的危险应力，需要说明的是，叶轮的最大等效应力根据叶轮材料的不同而不同。本示例中，可以基于表2中计算的离心压气机的初始参数，计算叶轮的最大等效应力。
在本示例中，对所述离心压气机的强度计算可以包括一维强度计算。
具体而言，所述一维强度计算的过程如下：
径流式叶片根部拉伸应力的计算公式为：
σmax＝KFσF+KMσM (11)
其中，KF,KM为应力系数；σF为拉伸应力，σM为弯曲应力；
根据强度准则，σmax需要满足：
其中，σmax是指叶轮所能承受的最大应力(MPa)，σs是指材料的屈服极限(MPa)，k是指安全系数。
此外，为了证明一维强度计算方法的普适性，分别针对表4所示叶轮的8种不同的设计参数进行一维强度计算和三维强度计算。
表4叶轮设计参数
序号 压比 转速(rpm) 流量(kg/s) 叶轮进口半径(mm)
1 5.2 32000 6.0 43.8
2 5.2 28500 6.5 47.0
3 5.2 25000 7.0 50.0
4 5.2 22000 7.5 52.5
5 4.2 28500 6.0 43.8
6 4.2 25000 6.5 47.0
7 4.2 22000 7.0 50.0
8 4.2 20000 7.5 52.5
在本示例性实施例中，通过一维强度计算和三维强度计算得到的叶轮最大等效应力的计算结果如表5所示。离心叶轮根部应力的一维强度计算结果与三维强度计算结果基本一致，最大误差为不超过3％。表明针对离心叶轮前缘根部应力的一维强度计算方法是可行的。
其中，根据一维强度计算方法计算的当前离心压气机叶轮的最大等效应力为346.186Mpa。
表5叶轮最大等效应力计算结果
序号 一维强度计算(Mpa) 三维强度计算(Mpa) 误差
1 346.186 345.539 0.187％
2 316.811 315.471 0.425％
3 281.518 284.435 1.025％
4 250.7809 244.239 2.678％
5 299.889 297.813 0.697％
6 265.506 272.541 2.581％
7 239.356 239.427 0.030％
8 222.617 223.548 0.412％
在步骤S130中，基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
在本示例性实施例中，可以建立优化模型，该优化模型至少包括目标优化函数以及约束条件，可以通过求解建立的优化模型对上述步骤中设计的离心压气机的初始参数进行优化，以在多个初始参数中确定满足优化模型的目标参数。
具体而言，本示例实施方式中，基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化可以包括：
以所述离心压气机的效率最大为目标，并以叶轮的最大等效应力、最大压比以及叶轮进口轮缘最大马赫数为约束条件，对所述初始参数进行优化处理。
在本示例性实施例中，目标函数为离心压气机的气动效率最大，因此需要计算出满足该优化目标的所有参数，从而解决该目标优化问题。根据目标函数和约束条件建立的优化模型可以如公式(13)所示：
其中，Eff为离心压气机转子效率，σc为离心压气机最大等效应力，πs为离心压气机计算压比，Ma为离心压气机入口轮缘最大马赫数。
本示例中的以离心压气机效率最大的目标优化问题，可以通过预设算法解决，预设算法可以包括直接搜索法、全局搜索法、多目标优化等，为了使全局最优概率最大，本示例中以Evol算法为例进行如图4所示的优化过程。Evol算法控制参数包括：种群数量、变异算子、交叉算子、最大进化代数、终止条件等。具体过程可以包括以下步骤：
步骤一，随机产生初始种群，进化代数t＝1；
步骤二，对初始种群进行评价，即计算初始种群中每个个体的适应度值；
步骤三，判断是否达到终止条件或进化代数达到最小，若是，则进化终止，将此时的最佳个体作为解输出；若否，则继续；
步骤四，进行变异和交叉操作，对边界条件进行处理，得到临时种群；
步骤五，对临时种群进行评价，计算临时种群中每个个体的适应度值；
步骤六，进行选择操作，得到新种群；
步骤七，进化代数t＝t+1，转步骤二。
举例而言，在本示例性实施例中，可以根据Evol算法直接进行优化，将种群数量设置为12，代数设置为20，求解最优参数的过程可以通过Matlab中的函数实现。通过对表6所示的离心压气机的参数进行优化，并且根据表6中各个变量的变化范围以及表7中所示的优化目标及约束，进行如图4所示的迭代计算，可以根据图4中效率最大的点确定目标参数点，从而得到如表8所示的离心压气机优化后的目标参数，并根据目标参数得到如表9所示的最终设计的离心压气机的设计结果。
可以按照实际需要对表6中所示的变量：轮毂/轮缘半径比、进口叶尖处攻角、进口叶根处攻角、出口弯折角、扩压器入口与叶轮出口半径之比以及扩压器出口与入口半径之比中的一个或多个进行调整和更新，以使表7中所示的叶轮效率、叶轮压比以及叶轮等效应力值等参数满足上述约束条件。需要注意的是，对上述变量的调整范围不能超过表6中规定的范围。
表6离心压气机初步设计结果
变量 初始值 设计变量范围
轮毂/轮缘半径比 0.35 [0.3,0.4]
进口叶尖处攻角 0 [-2,2]
进口叶根处攻角 0 [-2,2]
出口弯折角 -25 [-30.-20]
扩压器入口与叶轮出口半径之比 1.1 [1.05,1.155]
扩压器出口与入口半径之比 1.1 [1.05,1.155]
表7优化目标及约束
参数 初始值 目标
叶轮效率 87.97％ max
压比 5.1072 >5.2
应力值 342.8Mpa <650Mpa
表7中记载了叶轮效率、压比以及等效应力的初始值及目标值，该目标值可以认为是上述约束条件的具体数值，也可以根据材料的不同或者是实际需要而变化。本示例性实施例中，将叶轮效率最大、叶轮压比大于5.2以及等效应力值小于材料的许可应力值650Mpa作为目标优化条件和约束条件。
表8离心压气机优化设计参数
变量 优化值 变量 优化值
进口叶尖处攻角(°) 1.98 轮毂/轮缘半径比 0.3
扩压器入口与叶轮出口半径之比 1.13 出口弯折角(°) -27.38
扩压器出口与入口半径之比 1.05 进口叶根处攻角(°) -0.23
表8是对表6中变量进行优化后的优化值，对比优化值和初始值，可以发现每个变量均发生了变化，且变化均在范围内。当各变量的变化范围超过了预定范围时，根据该变量计算的其它目标参数不能作为设计离心压气机的依据，因此要重新进行调整。
表9离心压气机优化设计结果
参数名 数值 变量名 数值
进口叶尖处攻角(°) 1.84 轮毂/轮缘半径比 0.318
进口叶根处攻角(°) -1.118 扩压器入口与叶轮出口半径之比 1.107
材料密度(kg/m3) 4440 扩压器出口与入口半径之比 1.064
叶轮出口半径(mm) 164.925 出口弯折角(°) -29.661
叶轮出口宽度(mm) 24.552 轮毂半径(mm) 29.639
进口轮缘气流角(°) 50.065 轮缘半径(mm) 93.203
进口轮毂气流角(°) 25.063 叶轮长度(mm) 115.448
扩压器出口半径(mm) 194.257 扩压器进口气流角(°) 83.23.
叶轮转子效率(％) 88.218 扩压器出口气流角(°) 75.3
压比 5.206 叶轮级效率(％) 82.249
输出功率(kW) 1425.471 最大应力(MPa) 347.69
参考表8中确定的目标参数对离心压气机进行仿真计算，得到了表9中所示的离心压气机最终设计的多个参数。由此得出，离心压气机的效率为88.218％，压比为5.206，满足设计要求。虽然压气机进口轮缘码数大于1，但仍处于合理的范围内。压气机最大应力为347.69MPa，低于材料的许可应力值650MPa。进一步地可以将此时的轮毂/轮缘半径比、进口叶尖处攻角、进口叶根处攻角、出口弯折角、扩压器入口与叶轮出口半径之比以及扩压器出口与入口半径之比的数值确定为最终的参数数值，完成离心压气机的设计。
除此之外，还可以以离心压气机效率最大和压比最大为优化目标，根据NSGA-II多目标遗传算法进行多目标优化。其具体计算步骤与上述Evol算法的计算过程类似，此处不再赘述。
本示例性实施例中，通过在离心压气机的总体方案设计阶段进行气动效率计算和强度计算，使得离心压气机的设计参数可以完全满足后续强度要求，避免了相关技术中对离心压气机的反复多次设计，并且提高了离心压气机的气动效率以及可靠性。
此外，本示例实施方式中，还提供了一种离心压气机优化设计系统，参考图5所示，所述系统500包括：
仿真模块501，可以用于根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
测试模块502，可以用于根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
优化模块503，可以用于基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
上述离心压气机优化设计系统中各模块的具体细节已经在对应的离心压气机优化设计方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (10)

1.一种离心压气机优化设计方法，其特征在于，包括：
根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
2.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数包括：
以叶轮进口轮缘马赫数最小为目标，采用非线性规划法确定所述叶轮进口的几何参数以及所述叶轮进口轮缘的相对速度。
3.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数还包括：
根据所述叶轮进口的所述几何参数确定当前离心压气机的级效率；
根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数。
4.根据权利要求3所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，根据所述当前离心压气机的所述级效率确定叶轮出口的所述几何参数包括：
对所述当前离心压气机的所述级效率进行迭代计算，以确定所述叶轮出口的级压比；
在所述叶轮出口的所述级压比为预设值时，确定所述叶轮出口的直径以及叶片出口高度。
5.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，对所述离心压气机进行气动效率计算包括：
根据所述初始参数以及损失模型计算与所述损失模型对应的损失，并根据所述损失计算所述离心压气机的效率。
6.根据权利要求5所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，所述损失包括攻角损失、叶片载荷损失、表面摩擦损失、间隙损失、混合损失、轮盘摩擦损失、无叶扩压器损失以及回流损失。
7.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，对所述离心压气机进行强度计算包括：
根据所述初始参数对所述离心压气机的叶轮进行强度计算，以计算所述叶轮的最大等效应力。
8.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化包括：
以所述离心压气机的气动效率最大为目标，并以叶轮的最大等效应力、最大压比以及叶轮进口轮缘最大马赫数为边界条件，对所述初始参数进行优化处理。
9.根据权利要求1所述的离心压气机优化设计方法，其特征在于，所述强度计算包括一维强度计算。
10.一种离心压气机优化设计系统，其特征在于，包括：
仿真模块，用于根据与所述离心压气机对应的多个输入参数，对所述离心压气机进行仿真计算并获取所述离心压气机各特征截面上的初始参数；
测试模块，用于根据所述初始参数对所述离心压气机进行气动效率计算以及强度计算；
优化模块，用于基于优化模型对所述离心压气机的所述初始参数进行优化，并根据预设算法确定所述离心压气机的目标参数。
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