1、www.SIGHTNA.comCollaboration Integration Design Optimization Collaboration Integration Design Optimization iSIGHT 案例研究叶轮机械行业概览Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com2叶轮机械的应用举例Argo TurboserveDoosan Heavy IndustriesGE HydroGE Power SystemsHamilton SundstrandHi
2、tachiHoneywellIshikawajima-Harima Kawasaki Heavy Indust.Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.MTU Aero EnginesParker HannifinPratt & WhitneyRolls-RoyceSiemens Power Siemens WestinghouseToshiba CorporationWilliams InternationalYork International llCopyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights r
3、eserved.www.SIGHTNA.com3成功案例概览联合循环电站运行优化基准设计/ 级分配z压气机z透平z过渡段系统集成z压气机与透平的最佳匹配z工作裕度与喘振裕度权衡经济性( Affordability)z性能和成本的权衡设计z材料减重z成本削减叶片的气动和结构优化z轴流压气机、透平的静叶和动叶z离心压气机涡轮叶片叶片冷却、传热z内部流道设计z气膜冷却孔布置z冷却空气流动燃烧室设计结构设计：z转子部件z静子轮盘、腹板、肋板、机匣入口段几何形状设计内部过渡段设计出口段扩压器设计转子动力学和轴承设计实验数据与模型参数匹配、拟合轮盘制造加工工艺z热处理z铸造等密封设计控制系统备用辅助系统（
4、油压和电子系统等）Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com4iSIGHT在叶轮机械设计中的商业价值7级减到6级，重量减轻200250磅燃油消耗率下降1%每个引擎节省$25万GE Aircraft Engines (1991)集成基准设计代码GE90涡扇发动机优化把手工优化所需的6周缩短到1天GE Power Systems (1992)集成准三维通流程序在内6个程序优化透平级径向流动分布15级高中压透平级设计时间从6人月缩短到10人天三年内透平机组改造市场业务增长$6千万G
5、E Power Systems (1995)透平叶片自动优化设计系统2月的设计时间缩短到4天获得更高的效率US 航空发动机、水轮机制造商(1997)集成叶片几何造型程序+CFD程序8月的手工设计时间缩短到12分钟每年节省人力：1000小时US 透平、压气机制造商(1997)集成5个转子动力学仿真软件iSIGHT问题定义：半天显著提高系统效率日本蒸汽透平制造商(1999)集成通流仿真程序优化汽道布局大大降低人工设计中的压力梯度2 CPU小时完成，而过去需100小时人工试验加拿大燃气透平制造商(1999)集成TASCflow CFD仿真软件优化燃烧室壁面形状+近似模型加速Copyright 200
6、6, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com5叶轮机械设计的特点：挑战极限工作环境：z极限工况：温度、压力、应力旋转部件处的力非常大z用户要求:运转高效、寿命长、维护费用低z结果：各学科的设计要求发生矛盾:气动、机械、传热、物性、寿命解决方案：z用计算机辅助工具全面探索加速设计更好的多学科权衡和优化Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com6GE Power: 叶片自动设计系统叶片端部
7、气动优化2D 叶型参数化流体计算结构计算热力学计算(TLP)iSIGHT过程驱动和优化Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com7GE Power: 轮盘铸造过程优化Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com8GE Power: 轮盘热处理加工过程优化Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All righ
8、ts reserved.www.SIGHTNA.com9设计变量：z NURBS控制截面和基迭：47个变量目标函数：z出口面总压损失系数约束：z工况等z几何、攻角等仿真程序：z 3D N-S 分析z自动网格生成代码 iSIGHT 解决方案：z因子分析：正交试验DOEz全局搜索：遗传算法GAz模型近似：2阶响应曲面z局部优化：SQP作用于RSMz加速策略：CFD分区并行1截面2截面3截面4截面清华大学：环形透平叶栅全三维气动优化Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com10Co
9、ncept NREC: 涡轮优化设计和质量设计问题：z人工进行涡轮气动设计非常耗时且重复劳动解决方案：z集成iSIGHT 和CNREC的柔性工程设计系统(Agile Engineering Design System)z使用iSIGHT知识引擎获取专家知识设计变量：z涡轮Bezier曲线控制点叶梢、叶跟等高线、形状目标：z达到指定（最佳）载荷分布曲线约束：z制造工艺性：合理的倾角z流量不阻塞 iSIGHT探索方案：z模拟退火全局搜索z MMFD可行方向法局部优化z 6sigma 质量设计优化 iSIGHT 知识引擎：z先气动优化z再制造工艺性优化Copyright 2006, SIGHTNA
10、Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com11Concept NREC: 涡轮优化设计和质量设计随机设计变量：z叶片安装角5（+ - 2) degreez涡轮轴向长度：+ - 10,15 mm最小化：z与指定的Cp压力系数曲线的误差（吸力面、压力面）z与指定的叶片载荷曲线的误差（吸力面、叶根）z与指定的径向载荷曲线的误差约束z最大倾角: -3045z叶梢最大载荷0.8z叶根最大载荷0.8z叶根吸力面最大Cp系数0.5z叶根压力面最大Cp系数0.8z叶梢吸力面最大Cp系数0.8z叶梢压力面最大Cp系数0.9z径向最大载荷1.
11、2z攻角：-510最初确定性优化点的质量：z 0.685 水平(50.7%可靠度)Copyright 2006, SIGHTNA Technologies Co., Ltd.All rights reserved.www.SIGHTNA.com12Concept NREC: 涡轮优化设计和质量设计系统易用性：z 3D离心压气机设计自动化集成环境z目标和约束的配置通过GUI界面进行z可包含客户试验数据和设计经验知识，指导优化，并进行仿真模型参数的校准设计优化:z通流性能优化(COMPAL)和叶片气动优化(CCAD)同时进行，运行时间小于1小时z对设计工况和非设计工况进行优化z包含对制造工艺性的优化z CETI的知识库模块用来指导更快更有效的优化z 6simga质量设计考虑不确定因素衡量质量波动提高可靠性、稳健性从0.685 水平(50.7%可靠度) 提高到1.8 水平(90%以上的可靠度）展望：z考虑3D粘性CFD流动分析和设计z考虑结构应力、振动分析和设计
