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基于全局敏感性分析的压气机多级轮盘参数优化*王继福1王跃方1,2（1.大连理工大学工程力学系；2.工业装备结构分析国家重点实验室）摘要：压气机是航空发动机的核心部件之一，为了保证结构运行的可靠性，并提升发动机的推重比，需要对其结构进行减重优化设计。
相较于单级轮盘，多级轮盘的优化分析更符合实际，但优化效率更低。
以复杂的多级轮盘转子优化为研究目标，通过对结构参数化建模，实现尺寸形状自动控制，并基于全局敏感性分析获得轮盘的关键尺寸以及结构强度受参数影响的情况，为优化模型的简化和调整提供参考。
研究轮盘结构破裂裕度，搭建高效、通用的优化流程，在保证结构静强度的前提下，通过遗传算法、可行方向法实现压气机转子减重4.94%的优化效果，对压气机结构设计具有一定的参考意义。
关键词：压气机；多级轮盘；破裂裕度；敏感性；参数优化中图分类号：TH453；V231.3文章编号：1006-8155-（2022）04-0053-07文献标志码：A DOI：10.16492/j.fjjs.2022.04.0009Optimization of Multi-stage Compressor Disk Parameters Based on Global Sensitivity AnalysisJi-fu Wang1Yue-fang Wang1,2（1.Department of Engineering Mechanics,Dalian University of Technology；2.State Key Laboratory of StructuralAnalysis for Industrial Equipment）Abstract：Compressors are one of the core components of aero-engines.To ensure the reliability of the structure and improve the thrust-to-weight ratio of the engine,it is of great significance to execute weight reduction designs of the rotor pared with single-stage disk optimization,a multi-stage disk analysis is more practical but less efficient as the optimization process is concerned.In this paper,the optimization of a complex multi-stage disk rotor is studied.The automatic size and shape control is realized through a parametric modeling of the structure.Based on a global sensitivity analysis,the critical dimensions of the disk and the influence of parameters on the structural strength are obtained,which provides a reference for the simplification and adjustment of the optimization model.The burst margin of disk structure is studied,and an efficient,general optimization process is formulated to realize the weight reduction optimization design.On the premise of ensuring the static strength of the structure,the optimization achieves a reduced weight of the compressor rotor by4.94% through the genetic algorithm and feasible direction method.The present work can be useful for similar research on structural optimization design of aero-engine compressors.Keywords：Compressor；Multi-stage Disk;Burst Margin;Sensitivity;Parameter Optimization*基金项目：国家自然科学基金(U1808214)；国家科技重大专项（2019-IV-0019-0087）通信作者：王跃方***************.cn0引言压气机是航空发动机的核心部件之一，其功能是压缩吸入发动机的空气，并将压缩后气体供给后续的涡轮和燃烧室，提高燃烧效率。
基于API617的双级盘式TRT转子优化设计肖云峰;张志莲;唐涛;吕涛【摘要】为了提高高炉煤气余压回收透平发电装置的能量回收率和运转效率,根据API617标准,设计了15种盘式双级可调静叶TRT转子-轴承系统,并且采用数值模拟的方法详细分析、计算了这15种方案的临界转速、动力响应及转子不平衡的稳态响应等重要的转子动力特性.研究结果表明:轴承跨距的增大有利于提高转子的临界转速；单纯增加轴的直径只能增加轴刚性支承下的临界转速,转子-轴承系统有阻尼的临界转速反而降低;通过合理分布转子的质量可以成功实现双级悬臂TRT的开发设计.此项研究可为进一步提高国内TRT转子设计水平提供经验依据.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】4页(P55-57,68)【关键词】TRT;API617;转子动力特性【作者】肖云峰;张志莲;唐涛;吕涛【作者单位】北京石油化工学院机械工程学院,北京102617【正文语种】中文【中图分类】TF543高炉煤气余压回收透平发电装置(简称TRT)利用高炉炉顶的余压，将高炉炉顶煤气导入透平机中膨胀做功来驱动发电机发电，可回收高炉鼓风机所需能量的35% ～40%，是目前国内外公认的先进的冶金节能装置。
但是目前国内透平绝大多数采用单级静叶可调式结构，使透平长期处于低负荷运转状态，功率和效率均大打折扣［1］。
这使得双级可调静叶式TRT的开发迫在眉睫，但同时给设计带来了不小的困难。
仅从转子动力学的范畴出发，这些困难归纳为:(1)双级静叶必然导致转子悬臂端质量的增加，使转子稳定性下降;(2)悬臂端质量的增加导致轴承刚度和转子刚度匹配性困难，使得轴承选择范围更加苛刻;(3)双级静叶导致转子临界转速降低，使得设计刚性转子-轴承系统变得更加困难。
为此，本文设计了五种不同的转子质量分布，以及每种轴颈下长、中、短三种跨距共计15种方案。
采用数值计算的方法，根据API617标准对这15种方案的转子动力特性进行计算与分析，希望通过对转子稳定性影响因素及运行规律的研究，来优化设计方案，找到提高转子稳定性的设计方法，从而对TRT烟机转子结构进行参数化设计。
燃气轮机系统的优化设计与控制近年来，随着能源市场的变化和环境保护意识的日益加强，燃气轮机系统逐渐成为了大型工业和商业领域的主流动力供应方式之一。
但是，在应用过程中，燃气轮机系统在经济性、能效性和环保性方面都面临着一定的挑战和问题。
在这样的背景下，如何通过优化设计和智能控制实现燃气轮机系统的高效和可靠运行成为了一个重要的课题。
一、燃气轮机系统的优化设计在燃气轮机系统的优化设计中，需要对燃气轮机、燃料系统、冷却系统、润滑系统、空气系统、排气系统等多个方面进行系统分析和综合考虑。
其中，燃气轮机是整个系统的核心和关键，其优化设计的主要目标是提高功率密度和热效率，降低燃料消耗和排放，增强稳定性和寿命。
在燃气轮机的设计中，需要考虑多个参数和因素，如压气机和涡轮机的叶轮设计、燃烧室结构和喷嘴设计、燃料配送和混合等。
其中，燃烧室的设计是最重要的环节之一。
在燃气轮机工作过程中，燃料在燃烧室内与氧气反应，产生高温高压的气流，驱动涡轮转动并带动发电机等负载工作。
因此，燃烧室的结构和工作状态对燃气轮机的性能和运行稳定性具有至关重要的影响。
燃烧室的优化设计需要考虑燃料的混合和燃烧效率、燃烧室的热负荷和制冷效果、燃烧室的材料和耐久性等因素。
另外，燃气轮机的优化设计还需要考虑整个系统的热力循环和冷却系统。
在燃气轮机工作过程中，涡轮机和燃烧室会产生大量的热能，需要通过空气冷却或水冷却等方式来保持温度稳定，同时也需要考虑冷却系统对整个系统效率的影响。
二、燃气轮机系统的智能控制随着现代科技的发展，智能化控制技术越来越广泛地应用于燃气轮机系统中，以提高整个系统的安全性、可靠性和能效性。
智能化控制技术主要包括自适应控制、模型预测控制、神经网络控制等多种方法和技术。
其中，自适应控制是应用最广泛的一种方法，其主要通过实时监测反馈信息来自动调整控制参数和控制系统的工作状态，以实现系统的稳定和优化。
在燃气轮机系统中，智能控制技术可应用于多个方面。
燃气轮机的设计与优化燃气轮机是一种能够将高温高压气体转化为机械能的热力机械设备。
它被广泛应用于飞机、电站、煤化工及海洋钻探等领域。
燃气轮机的设计和优化关系着其适用范围和效率。
本文将会对燃气轮机的设计与优化进行探讨。
一、燃气轮机的基本原理燃气轮机的基本工作原理相当于传统的蒸汽动力装置，都是通过燃料燃烧产生高温高压气体，然后通过轮叶将气体动能转化为旋转力。
与蒸汽机不同的是，燃气轮机是在压缩空气的基础上进行燃烧，而不是由水蒸气驱动。
与传统的蒸汽机相比，燃气轮机具有以下优点：一是响应速度快，启动和停止时间短，响应性好；二是重量轻，结构简单，维护方便，故障率低；三是输出功率大，效率高，越来越多地被应用于高端领域。
二、燃气轮机的设计环节燃气轮机的设计过程分为三个主要环节：初步设计、详细设计、生产设计。
初步设计是确定轮机主要技术指标（比如功率、效率等）、确定轮叶型号、计算出设计参数等；详细设计是为满足初步设计给定要求进行技术优化，确定各种材料、几何尺寸、工艺要求等；生产设计是在详细设计的基础上，明确生产工艺、质量控制、运输、包装等方面。
设计中不同的环节互相关联，相互作用，都会影响燃气轮机的性能。
初步设计的良好执行，是后面环节推进的前提；详细设计的前期准备，会影响生产过程中的成本和效率。
三、燃气轮机的性能优化燃气轮机的重点在于性能优化，如何提升燃气轮机的效率和功率，在轮叶设计、燃烧室设计、节能设计等方面进行探索和实践，是燃气轮机生产商在大力发展燃气轮机的过程中必须面对的问题。
1. 轮叶优化设计轮叶是燃气轮机的主要构件之一，是将气体动能转化为旋转力的关键。
轮叶的设计主要包括材料选择、结构设计和动态平衡，不同的设计对性能的影响也是不同的。
材料方面，轮叶分为钛合金、镍基合金等多种类型，选用不同的材料主要由其承受的温度和载荷决定。
结构设计则需要考虑轮叶的几何尺寸、叶片数目、叶尖间隙等因素。
其中叶片数目是最关键的参数，因为它会直接影响到轮叶的转速和能量转化效率。
燃气轮机涡轮组件的设计与性能优化燃气轮机作为一种高效、可靠的能源转换设备，在航空、船舶、发电等领域被广泛应用。
而燃气轮机的核心组件之一就是涡轮组件。
涡轮组件的设计与性能优化，对燃气轮机的整体性能至关重要。
涡轮组件包括轮盘、转子、导叶等，其设计需要充分考虑气体流动、叶片受力、热力学性能等因素。
首先，涡轮组件的气流受阻情况对于燃气轮机的性能有着重要影响。
通过合理的流道设计，可以降低流动的分离和失速，提高气体的流通效率。
而在设计过程中，流道的形状、叶片的厚度、导叶的曲率等参数都需要精确考虑，以保证气流在涡轮组件内的流动速度和方向的合理分布。
此外，还可以采用涡轮组件内部的激励装置或改变叶片表面的形态，进一步减小气流的阻力，优化燃气轮机的气动性能。
其次，涡轮组件的叶片受力也是设计的关键。
在高温、高速气流的作用下，叶片要承受巨大的压力和转动力矩。
因此，合理选择叶片材料、优化叶片结构以增强其受力能力是设计中的重点。
一般而言，采用高温合金材料制作叶片可以提高其耐高温性能，增加使用寿命。
同时，在叶片的形态设计上，可以采用多层空腔结构，增加叶片的强度和刚度，提高其抗风险疲劳性能。
此外，还可以通过叶片前缘和后缘的形状优化，减小受力集中程度，进一步提高叶片的机械性能。
再次，涡轮组件的热力学性能对于燃气轮机整体热效率的提升也起到重要作用。
在高温气流的作用下，涡轮组件不可避免地会产生热应力和热失效。
因此，在设计涡轮组件时，需要综合考虑材料的热导率、热膨胀系数等热力学参数，以选择合适的材料。
一般而言，高温合金材料具有较低的热膨胀系数和较高的热导率，可以提高叶片的抗热应力和散热能力，从而减小热失效的可能性。
此外，还可以通过涂层技术提高叶片表面的保护性能，减少高温热应力的作用。
最后，值得一提的是，涡轮组件的设计与性能优化是一个相对复杂的工程问题，在实践中需要借助计算机模拟和实验研究来辅助完成。
计算流体力学（CFD）是一种常用的研究工具，可以通过数值模拟来预测气流的流动和叶片的受力情况。
燃气轮机组的优化设计与运行分析随着能源需求的不断扩大，燃气轮机组已经成为了现代化的重要设备之一。
作为一种高效的发电设备，燃气轮机组不仅能够为人类带来可靠的能源供应，还可以减少对环境造成的污染。
在此背景下，为了进一步提高燃气轮机组的运行效果，优化其设计已成为了当下最重要的任务之一。
本文将从燃气轮机组的基本原理入手，探讨其优化设计与运行分析的相关内容。
一、燃气轮机组的基本原理1.燃气轮机的工作原理燃气轮机组是一种以内燃机为动力的发电装置。
其基本原理是将空气和燃料混合后，通过燃烧产生高温高压气体，再利用轮叶的动力转换成机械能，驱动发电机发电。
燃气轮机组与传统的蒸汽式发电设备相比，具有启动快、响应灵敏、运行效率高等优点。
2.燃气轮机组的组成部分燃气轮机组包括燃气轮机、发电机以及各种辅助设备。
其中燃气轮机是燃气轮机组的核心部分，其主要由压气机、燃烧室、涡轮机和废气系统组成。
二、燃气轮机组的优化设计1.提高燃气轮机组效率为了提高燃气轮机组的效率，需要针对其组成部分进行优化设计。
其中，压气机和涡轮机的设计是关键。
压气机的主要任务是将空气压缩成高压气体，涡轮机则利用压缩后的空气驱动机组转动。
为了实现高效率运行，需要在设计时考虑到两者之间的匹配性，以及空气动力学特性等因素。
2.减少燃气轮机组的排放燃气轮机组在运行过程中会产生一定的大气污染。
为了减少其排放，需要采用减排措施。
其中，使用低NOx燃烧室技术可以有效减少氮氧化物排放；采用先进的废气处理设备，例如脱硫脱硝装置，可以减少废气中的二氧化硫和氮氧化物排放。
三、燃气轮机组的运行分析1.燃气轮机组运行的状态检测燃气轮机组在运行过程中，会发生一系列的故障，如振动、磨损、温度异常等，这些故障不仅会影响设备的寿命，还会影响其运行效率。
为了保证燃气轮机组的可靠运行，需要利用现代技术对其运行状态进行检测。
其中，利用振动传感器、温度传感器等传感设备，可以实现实时监测设备的性能和工作状态。
重型燃气轮机轮盘数控加工及检验技术探究发布时间：2021-11-09T07:45:03.311Z 来源：《科技新时代》2021年9期作者：吴彦标[导读] 燃气轮机是一种结构复杂并且非常先进的成套动力机械设备，是非常典型的高新技术产品。
东方电气集团东方汽轮机有限公司 618000摘要：本文主要主要对重型燃气轮机轮盘的相关重要部位零件的数控加工及检验技术进行有关分析，先是对燃气轮机轮盘的相关结构特点进行一个简单的介绍，随后再对现如今应用在燃气轮机轮盘的数控技术发展现状进行说明，最后对燃气轮机轮盘各个关键部位的数控加工技术着重的进行讨论，通过合理的排列拉刀与选择加工参数及加工后各轮盘间的配合尺寸控制及检验来确保燃气轮机轮盘的数控加工质量。
关键词：燃气轮机；轮盘；数控加工及检验技术；一、引言燃气轮机是一种结构复杂并且非常先进的成套动力机械设备，是非常典型的高新技术产品。
除结构复杂以外重型燃气轮机可以说的上是目前全世界效率最为高效的热功转换类发电设备，在发电和驱动领域可以说是处于核心地位的。
燃气轮机的制造体现了许多理论学科和诸多工程领域发展的综合水平，也能够集中体现出一个国家的总体工业水平，同时也是国家高技术水平与科技实力的重要标志之一，有着非常重要的战略地位，是21世纪的先导技术产品，因此它还有着装备制造业“皇冠上的明珠”的美称。
二、燃气轮机轮盘概述要想了解重型燃气轮机轮盘有关数控方面的加工及检验技术，我们就得先来了解一下什么是燃气轮机轮盘。
燃气轮机轮盘是燃气式气轮机套齿轮盘的简称，它主要是由传动套齿、相关轴、内腔、小孔等主要的有关部件所构成，其构成的特点就是结构高度复杂化且构成技术较为先进。
而套齿轮盘叠装成的燃机转子是燃气发动机高速转动运行过程中最为重要的组成部件。
轮盘在加工的过程中使用数控车床来完成全部的车削加工，并配备最为先进的车削加工刀具保证加工的精度，第一面主体轴向轴的长度与主体轴承紧密配合并且二者表面之间的间距仅有100毫米，根据这样的情况可以使用公称轴向直径为290毫米的直角螺栓和弧形的螺母相互紧密的配合。
发生这样严重的事故后，研发和测试人员对事故原因进行深入分析，有限元分析结果表明该型燃机透平轮盘周向破裂裕度严重不足，设计点状态下存在许多位置应力水平超过材料屈服极限，部分开孔位置甚至局部应力水平超过材料断裂极限。
事故中破裂的第二级透平转子为整体叶盘式，子整圈共计有36个叶片，由于外委设计方设计经验不足，未能按流程进行完整设计，为了确保后续机型安全运行，对该型燃机透平转子进行结构优化势在必行。
有限元网格见图3，边界条件为第一级盘前的端齿连接面施加轴向固支，模型内部各零件间采用标准接触，摩擦系数设置为0.15，叶片离心载荷和气动载荷分别在相应位置建立mass21单元的质量点上施加。
通过有限元分析，可以得到原始设计的两级透平转子等效应力分布，示意见图4。
————————————————————作者简介:顾明恒（1989-），男，江苏盐城人，强度工程师，研究方向为航空发动机与燃气轮机结构强度研究。
图1事故后现场破坏情况图2稳态温度载荷分布/℃2.3盘体参数敏感性分析几何全约束的透平盘参数化模型中的变量较多，本文在优化设计之初进行了灵敏度分析，以便捷的筛选出了对透平盘强度影响较大的关键几何尺寸参数，便于有针对性的提高后期优化设计效率。
进行透平盘盘体几何参数灵敏度计算时，各几何参数的范围选取为原始设计尺寸的±1%。
首先，基于拉丁超立方抽样法构造响应面，每组抽样156次；其次使用随机抽样进行误差分析，每组误差检验的抽样为12次；最后以透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力作为灵敏度分析的目标函数。
对透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板如果未观察到明显异常发生，则转速进一步缓慢提升至110%设计转速，维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速进一步缓慢提升至115%设计转速维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速继续缓慢提升，直至某级转子发生破裂。
（图6）试验中二级透平盘先发生破裂，与理论分析一致，破裂转速与理论分为，试验论分析的准确，结微型燃气轮机透平轮盘超转破裂能力满足设计要求，具备产品应用条件。
三菱M701F4燃机转子冷却空气系统优化方法[摘要]针对三菱M701F4型号燃机而言，冷却空气此项系统属于整个装置内部重要构成部分，对燃机总体可靠运行有着直接影响。
故本文主要探讨三菱M701F4型号燃机转子冷却空气综合系统相关优化方法，仅供业内相关人士参考。
[关键词]三菱燃机；冷却空气；系统优化；转子；优化方法前言：三菱M701F4型号燃机，其属于单轴燃气蒸汽联合循环类型机组，呈较大的单机容量及高热效率。
那么，为确保其能够高效经济性地运行，则对三菱M701F4型号燃机转子冷却空气综合系统相关优化方法开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。
1、三菱M701F4型号燃机及其内部冷却空气综合系统的概述三菱M701F4型号燃机透平的进口初温为1400℃，透平进口较高初温环境当中，机组可维持可靠且安全的运行状态，除结构设计先进、采用各种新材料及技术手段之外，高温部件当中引入先进性冷却技术手段也较为关键。
三菱M701F4型号燃机当中，选定4级的透平叶片，它的静叶持环及动叶顶部位置设动叶环，有效隔离了高温燃气和外缸，促使双层的缸结构得以形成，外缸和内缸分别负责承载及受热，内外部缸的夹层内部通入相应的冷却空气，而中间夹层部分设隔热及充当着冷却的空气通道这一双重功能。
针对透平动及静叶冷却，需借助温度、压力等与冷却空气相匹配，待冷却后，会进入至做功状态下的相应主燃气流，之后各路通道内部产生阻力[1]。
因考虑到进入至主气流部位压力存在差异性，故选定不同压力想要抽气点，负责实施冷却空气的持续供应。
系统流程，即少量抽取压气装置出口空气和外部的冷却介质之后，经由TCA冷却装置换热，对透平第1级的静叶、叶轮、主轴及动叶片予以冷却；冷却空气自压气装置出口位置抽出之后，经由燃烧室内部火焰筒四周的空腔引来，再流过1级的静叶持环及1级静叶当中的冷却通道，静叶冷却后由静叶的出气边相应小孔处逐渐排入主燃气流内部；再有压气装置从各级抽气口位置分别将空气抽出，经由冷却透平的第2-4级的静叶片，使得冷却空气进至内外缸相应夹层，再到静叶相应冷却通道，自静叶的出气边相应小孔排入主燃气流内。
基于Workbench的多级轮盘组件优化设计邵帅;郭秩维;储建恒【摘要】In order to improve performance of the wheel disk,a multi physical field optimization platform for thermal and structural coupling was established based on Workbench and integrated optimization software optiSLang.The optimization design of weight reduction for multistage disks assembly was carried out. The results show that the stress and deformation of the disks at all levels meet the design requirements after optimization.The reserve of disk's meridian plane was uniform distribution and the material utilization was improved.The low-pressure turbine disks totally lost 4.45kg weight, which achieve the desired goal. The optimization platform is two dimensional optimization platform based on disk's meridian plane,which can be used in the concept design stage,and provide the technical reserve for establishing a more detailed three-dimensional optimization platform.%为了改善轮盘的性能,基于Workbench与集成的优化软件optiSLang建立热与结构耦合的多物理场优化平台,对多级轮盘组件进行了减质优化设计.结果表明:优化后各级轮盘应力及变形满足设计要求,子午面应力储备分布均匀,提高了材料的利用率,低压涡轮盘质量共减轻4.45 kg,达到了预期目标.本优化设计平台为基于轮盘子午面的2维优化平台,可用于轮盘方案阶段的设计工作,为建立更为详细的轮盘3维优化平台提供技术储备.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2018(044)002【总页数】4页(P40-43)【关键词】轮盘;优化设计;减质;参数化建模;优化平台;航空发动机【作者】邵帅;郭秩维;储建恒【作者单位】中国航发沈阳发动机研究所,沈阳110015;中国航发沈阳发动机研究所,沈阳110015;中国航发沈阳发动机研究所,沈阳110015【正文语种】中文【中图分类】V232.30 引言轮盘作为航空发动机的重要关键件，其结构强度关系着发动机甚至飞机的安全性。
