粉末注射成形渦輪及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃?xì)馊~輪機(jī)械渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研宄領(lǐng)域，具體涉及一種粉末注射成形渦 輪減重新型結(jié)構(gòu)以及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓是當(dāng)今世界活塞式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化的最 主要途徑。發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)可以大幅度提高輸出功率、提高體積與重量功率密度 (強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)約了資源)，改善經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能源，改善排氣污染、減輕噪聲，補(bǔ)償高原環(huán)境 的功率損失。渦輪增壓器的核心零部件是位于渦輪室內(nèi)由熱廢氣流推動(dòng)的渦輪，以及位于 冷空氣一側(cè)的壓氣機(jī)葉輪。壓氣機(jī)葉輪只需耐受較低的溫度，鋁制葉輪性能就能完全滿足 要求，材料一般為鋁合金材料，密度為3000Kg/m3。而渦輪工作在高溫燃?xì)猸h(huán)境中，必須具有 良好的耐高溫以及耐腐蝕性，其材質(zhì)一般采用昂貴的K418鎳基鑄造合金，這種材料的密 度一般為8000Kg/m3。渦輪葉輪密度是壓氣機(jī)葉輪密度的2~3倍，使得渦輪葉輪與壓氣機(jī) 葉輪組成的增壓器轉(zhuǎn)子質(zhì)量分配很不均勻，軸承支承位置偏置，渦輪端懸臂過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子動(dòng) 力學(xué)性能不佳。因此，對(duì)渦輪葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、盡量減輕其重量是非常必要的。目前，車(chē) 用渦輪增壓器渦輪葉輪的生產(chǎn)全部采用精密鑄造工藝，該方法生產(chǎn)效率低，尺寸精度和表 面光潔度較差，后續(xù)加工余量大。另外，由于渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片和軸部截面尺寸相差較大， 采用精密鑄造澆鑄渦輪時(shí)，極易產(chǎn)生熱裂、縮孔、縮松等缺陷，導(dǎo)致渦輪廢品率較高。因此， 基于傳統(tǒng)精密鑄造生產(chǎn)工藝無(wú)法對(duì)渦輪進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果反而會(huì)造成加工困 難，提高生產(chǎn)成本和廢品率。
[0003] 粉末注射成形技術(shù)是目前世界上最熱門(mén)的精密復(fù)雜零件成形技術(shù)，該技術(shù)可制造 傳統(tǒng)方法難以制造、甚至不能直接制造的零件，目前已廣泛應(yīng)用于航天航空、電子、汽車(chē)與 醫(yī)療領(lǐng)域中。采用粉末注射成形渦輪葉輪較傳統(tǒng)精密鑄造制造的渦輪，內(nèi)部微觀組織更均 勻，機(jī)械、力學(xué)性能更高，且材料利用率可達(dá)95%以上，這對(duì)節(jié)約鎳基高溫合金等戰(zhàn)略材料 意義重大。此外，和精密鑄造尺寸精度±1%相比，粉末注射成形可達(dá)到±0. 3%，表面粗糙值 更小，在最小直徑、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面都顯示出優(yōu)勢(shì)。同時(shí)注射成形模具設(shè) 計(jì)更加靈活，可以拓寬渦輪葉片型面與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍。因此，在結(jié)合粉末注射成形技術(shù)的基 礎(chǔ)上，有必要用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行以減重為主要目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0004] 所述粉末注射成形的渦輪包括徑流渦輪、混流渦輪與軸流渦輪，屬于葉輪機(jī)械領(lǐng) 域，如車(chē)用渦輪增壓器渦輪、微型燃?xì)馊~輪機(jī)械渦輪等各種動(dòng)力機(jī)械、工作機(jī)械所用的渦輪 等等。目前，葉輪機(jī)械葉片成型主要有"骨架成型法"與"雙回轉(zhuǎn)中心法"兩種方法。粉末 注射成形渦輪不改變渦輪的成形方法，但是可以改變：（1)葉片工作曲面的復(fù)雜程度與成 形精度；（2)改變?nèi)~輪輪轂的結(jié)構(gòu)，如：將實(shí)心輪轂改變?yōu)榭招妮嗇?、將圓柱形盲孔或通孔 輪轂改變?yōu)槿我庑螤钜灰幻坊?、六方、五角形狀通孔或盲孔。這是由粉末注射成形技術(shù)特 點(diǎn)一一注射成形可以凈近形成形比精密鑄造、機(jī)械加工更復(fù)雜的零件一一所決定的。當(dāng)然， 改變形狀的目的是在保證葉輪使用性能的前提下，節(jié)約材料、減少渦輪重量以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量、提高渦輪轉(zhuǎn)子加速性能等等。） 目前，我國(guó)已有的申請(qǐng)專(zhuān)利中并不涉及粉末注射成形渦輪結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 《增壓器渦輪葉輪減重新型結(jié)構(gòu)》（200710062697. 5)中提出一種新型渦輪減重結(jié)構(gòu)；《一 種增壓器渦輪轉(zhuǎn)子》（201320383067.9)中提出一種新型增壓器渦輪減重結(jié)構(gòu)；《一種渦 輪轉(zhuǎn)子》（20132083084. 2)提出一種新型渦輪減重結(jié)構(gòu)；《一種增壓器渦輪轉(zhuǎn)子減重結(jié) 構(gòu)》（201320383127. 7)提出一種新型增壓器渦輪轉(zhuǎn)子減重結(jié)構(gòu)；《一種渦輪轉(zhuǎn)子減重結(jié)構(gòu)》 (20132. 383160. X)提出一種新型渦輪轉(zhuǎn)子減重結(jié)構(gòu)。《一種高負(fù)荷渦輪轉(zhuǎn)子葉片陶芯減重 結(jié)構(gòu)》（201320417573. 5)提出一種新型渦輪轉(zhuǎn)子葉片減重結(jié)構(gòu)。上述發(fā)明專(zhuān)利的技術(shù)方 案均通過(guò)改變渦輪結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子的輕量化，使渦輪增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量分配趨于合 理，提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力性。但是提出的結(jié)構(gòu)并非是通過(guò)優(yōu)化技術(shù)所得，也并不涉及渦輪結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以上專(zhuān)利中提出的新型渦輪結(jié)構(gòu)都不是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，本發(fā)明目的在于提供一種粉末注射成形渦輪 新型結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將粉末注射成形技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，得到一 種全新結(jié)構(gòu)的粉末注射成形渦輪。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)采用粉末注射成形工藝可以使渦輪具有非常均勻的微觀結(jié)構(gòu)，具有更 優(yōu)異的力學(xué)性能。利用該工藝特有的注射成形方法，可以改變渦輪現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，從而最 大化地對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)采用全新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)渦輪結(jié)構(gòu)，在渦輪結(jié)構(gòu)滿 足強(qiáng)度和使用要求的前提下，實(shí)現(xiàn)渦輪的輕量化。
[0007] 另外，本發(fā)明還提出一種以粉末注射成形工藝為基礎(chǔ)，針對(duì)渦輪結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法。該優(yōu)化方法將渦輪質(zhì)量和應(yīng)力集中系數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，可以有效解決優(yōu)化后 應(yīng)力集中問(wèn)題。此外，由于該方法是基于粉末注射成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中可以忽 略優(yōu)化結(jié)果對(duì)生產(chǎn)成本和加工工藝的影響，從而減少優(yōu)化過(guò)程中的約束條件，提高優(yōu)化設(shè) 計(jì)空間。
[0008] 本發(fā)明所述粉末注射成形增壓器渦輪，它包括輪轂和間隔設(shè)置在輪轂上的葉輪， 在輪轂上設(shè)置有與輪轂同心的中間孔，所述中間孔為彼相連的通孔或其兩內(nèi)端相隔的盲 孔，所述輪轂底端設(shè)置有環(huán)形槽，所述環(huán)形槽與輪轂同心。
[0009] 所述中間孔包括上圓孔和下圓孔，其橫截面為圓形、梅花形或正多邊形等，葉輪設(shè) 置方向有三種，一種介于輪轂徑向和軸向之間，即與輪轂軸心線成一定夾角；二種是與輪轂 軸心線平行，即與輪轂徑向成90度夾角；三種是與輪轂軸心線垂直，即與輪轂徑向平行。 [0010] 所述環(huán)形槽橫截面為圓弧形、方形、三角形或是與相對(duì)邊保持等距離的所形成的 異形等。
[0011] 本發(fā)明所述粉末注射成形增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它包括以下步驟： a、以渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕和最高轉(zhuǎn)速下渦輪的應(yīng)力集中系數(shù)最小，在確保渦輪結(jié)構(gòu)滿足 強(qiáng)度和使用要求的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以渦輪在最高轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下的最大等效 應(yīng)力為約束條件，以渦輪結(jié)構(gòu)減重特征幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，建立所述渦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化數(shù) 學(xué)模型： 目標(biāo)函數(shù)如下，即aii ，設(shè)計(jì)變量：
約束條件：σ, ; 式中，J#為渦輪質(zhì)量；J：為渦輪最高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力集中系數(shù)；JT為設(shè)計(jì)變量；Ii為設(shè) 計(jì)變量的個(gè)數(shù)；A為渦輪最大等效應(yīng)力；€Γ為渦輪屈服極限強(qiáng)度；<，Jtf分別為各設(shè)計(jì) 變量的上下限值；
b、 采用方法進(jìn)行計(jì)算，得到目標(biāo)函數(shù)值的矩陣I右U，用矩陣建立如下三個(gè) 線性方程來(lái)求得目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子W、W2和待定常數(shù)C，
式中，f為目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)、馬為目標(biāo)函數(shù)值的矩陣、e為待定常數(shù)； c、 建立評(píng)價(jià)函數(shù)如下：Min :
式中，z為評(píng)價(jià)因子；Me是渦輪結(jié)構(gòu)質(zhì)量M的理想值；JT是最高轉(zhuǎn)速下應(yīng)力集中系 數(shù)夏的理想值；F為指數(shù)；分別為各目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子； d、 通過(guò)ANSYS求出多組不考慮應(yīng)力集中系數(shù)下的設(shè)計(jì)變量X，得到渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解 集，然后，將每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組設(shè)計(jì)變量所對(duì)應(yīng)的評(píng) 價(jià)因子Z。
[0012] e、通過(guò)ANSYS求出多組設(shè)計(jì)變量得到渦輪多目標(biāo)優(yōu)化解集，解集中含有若干組數(shù) 據(jù)，每組數(shù)據(jù)中包含多個(gè)設(shè)計(jì)變量的值，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)M和K， f、將每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)M和K代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，求出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子Z，從所有 評(píng)價(jià)因子中選取評(píng)價(jià)因子最小值作為最優(yōu)結(jié)果Zmin，根據(jù)Zmin選取所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，將此 組設(shè)計(jì)變量作為最終渦輪結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果。
[0013] 所述α-方法是一種希望各分目標(biāo)函數(shù)都盡可能趨近最理想值的方法。方法基本 原理如下： 先分別求出各個(gè)分目標(biāo)的約束最優(yōu)解，然后用此q個(gè)點(diǎn)分別計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)函數(shù) 的相應(yīng)的值，例如，用 < 點(diǎn)可以計(jì)算出/" =Z1O^)。設(shè)各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)點(diǎn)分別為 ，對(duì)應(yīng)的各個(gè)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值為：Λ? = = 以此 類(lèi)推，直至計(jì)算出這樣，就可以得到一個(gè)目標(biāo)函數(shù) 值的矩陣用此矩陣可建立如下的求加權(quán)因子的線性方程組，即：
該式是一個(gè)從q+Ι方程中求q+Ι個(gè)未知數(shù)的問(wèn)題，可以有它的確定解。） 本發(fā)明綜合現(xiàn)有渦輪的結(jié)構(gòu)，提出了新型結(jié)構(gòu)的增壓器渦輪(如圖1所示結(jié)構(gòu)為其中 的一種)，并提出了一種如何來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)渦輪各部份尺寸的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)該優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法來(lái)確定的渦輪各部份尺寸，可在滿足渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求和使用要求的前提下，又能 最大量化減輕渦輪質(zhì)量。
[0014] 本發(fā)明有以下有益效果： 1、將粉末注射成形技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，得到一種新型渦輪結(jié)構(gòu)，是對(duì)現(xiàn) 有渦輪生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)形式的全面優(yōu)化。在保證渦輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用要求的前提下有效地 減輕了渦輪重量，減少了材料的消耗，降低成本，批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。由于渦輪 轉(zhuǎn)子重量的減輕，減小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有效改善了渦輪增壓器的加速性能，同時(shí)，也使轉(zhuǎn)子系 統(tǒng)質(zhì)量分配趨于合理，提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也有利于提高增壓器軸系的效率和可靠性。
[0015] 2、由于采用粉末注射成形工藝，該渦輪具有非常均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，燒結(jié)密度 高，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，有效去除了精密鑄造固有的熱裂、縮孔、縮松等缺陷。同時(shí)，該 工藝可減少優(yōu)化過(guò)程中的約束條件，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。
[0016] 3、本發(fā)明提出的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將渦輪質(zhì)量和最高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力集中系數(shù) 作優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，可以有效解決優(yōu)化后應(yīng)力集中問(wèn)題。使該渦輪結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量最輕，最高轉(zhuǎn)速 下應(yīng)力集中系數(shù)最小的優(yōu)點(diǎn)。由