单级涡轮转子-CAESES仿真优化经验分享

在涡轮的气动设计过程中，因设计需求变更导致的涡轮叶片优化迭代较多。目前CFD仿真技术应用广泛，在叶轮机设计领域更有多款单独的仿真软件。而因造型参数较多（单个叶片30个以上），涡轮叶片的优化工作还是较为耗时繁琐，往往只有经验丰富的工程师才能合理把握进度。

图1  多级涡轮叶片-来自网络

本次分享的输入条件为单级涡轮叶片，针对转子叶片进行参数优化仿真。整个优化仿真过程依赖于CAESES仿真优化软件进行，主要分为CAESES参数化建模、制定仿真优化方案、CFX仿真及脚本录制、软件链接优化仿真四大步骤，希望本人的浅析能为大家在叶轮机叶片优化仿真方面带来帮助。

一、CAESES参数化建模

本方案叶型采用基于Nurbs曲线的方法进行参数化造型，包含了前/尾缘圆弧、Nurbs曲线（5个控制点）、角度、位置等参数共21个（主要参数如图2所示）。该造型方法具有光顺连接、灵活多变、完全可调等特点，较为适合直拉式叶片的设计。

图2 叶型造型参数（2D）

在CAESES建模过程中，采用“Feature”功能实现叶型参数化设计，基于“Curve Engine”进行参数控制，最终通过“Meta Surface”曲面造型功能实现基于参数曲线的三维叶片造型。参数曲线以及相应的三维叶片如图3所示，此模型可通过参数曲线的调节控制模型的形状变化。

（a）造型参数曲线                      （b）三维模型

图3 单级涡轮叶片三维模型

二、仿真优化方案

由于三维叶片造型参数较多，本方案采用等截面叶栅的方式对叶片进行优化。仿真优化方案如图4所示，在CAESES参数化模型进行上，在不同叶高位置截取叶型，由直拉的方式得到等截面叶栅（如图5所示），通过等截面叶栅叶型气动优化间接实现三维叶片的优化。

图4  叶片仿真优化方案

图5 转子叶片转化过程

三、软件链接优化仿真

网格生成工具采用Turbo_Grid，仿真软件采用CFX，参数化建模、网格生成、计算调试过程分别生成了“curve”数模、网格“tse”脚本、计算“pre”脚本和后处理“cse”等文件，以上均为软件链接准备工作，整个仿真优化流程如图6所示。使用CAESES强大的外部软件链接功能，即可将通过输入/输出文件将三部分的仿真软件进行串联（链接情况如图7所示）。

图6 优化仿真流程

图7 优化仿真软件链接

CAESES��含许多优化算法，本轮方案采用Sobol算法对两个自变量参数（前/尾圆角度）进行筛选，初步拟定了21套模型进行优化对比（如图8所示），优化目标为出气角。仿真迭代共耗时1天，通过仿真结果排序，优化效果较为明显，在转子出口总压（108.8kpa）不变的情况下，出气角由初始方案的21.6°调整为了-3.4。

图8-图12为仿真结果及对比方案，由仿真结果可知，尾缘偏转角对出气角表现出了良好的单调影响趋势，出气角度的主要影响因素。同时通过流场对比，叶栅的优化结果与三维叶片吻合良好。

通过本轮方案的优化仿真，可见CAESES软件对于部件级优化有非常好的优势，合理选择仿真工具以及优化参数，可快速高效地达到仿真优化目标。于此同时，还降低了仿真优化工作对于工程师的技术水平要求。

图8 仿真优化数据

图9 绝对速度流线图

图10 性能曲线图（随尾缘角变化）

图11 优化方案对比（格栅）

图12 优化方案对比（三维）