在欧洲GAMMA(先进燃气涡轮增压发动机)项目的研究中,MTU公司(MTU为戴姆勒-奔驰集团下属公司,是世界领先的柴油发动机制造商)使用了CAESES软件来设计涡轮的组件,Nicolas Lachenmaier是MTU公司的前端气动工程师,他在使用CAESES过程中,对复杂的旋转叶轮设计上有一些独到的见解。我们对Nicolas Lachenmaier进行了采访。
Q:Nicolas,你好!你在MTU负责什么工作呢?
A:MTU正在开发用于越野车的涡轮增压柴油机和燃气发动机。我在负责其中涡轮增压器的径流式涡轮的气动设计工作。比如,我使用CFD方法设计了一个全新的效率更高的涡轮,并且通过实验获取了一些有价值的数据。
基于CAESES模型,对径流式涡轮应力的计算
Q:那你现在的工作计划是什么?
A:现阶段,我的工作精力集中在政府资助的GAMMA研究项目上。我的工作是创建一个自动优化和设计的工作流程,以此来得到更加轻便、高效和耐久性的径流式涡轮。
径流式涡轮上的压力分布
Q:当你设计一个涡轮增压器时,最大的挑战是什么?
A:从引擎角度来说,涡轮效率是最重要的设计指标。现在的CFD软件在帮助设计者评估一个新的改进能否达到预期方面,已经做得很好了。然而,在不断提高效率的同时保持涡轮的结构稳定性是一项艰巨的挑战。确保较低的应力水平,较高的固有频率,同时实现效率最大化,并且不增加叶轮的惯性可能是一个漫长的过程。
涡轮叶片的温度分布
Q:那么CAESES在这项工作中是如何帮助到你的呢?
A:我们使用CAESES建立了径流式涡轮的参数化模型及分析流程,使得我们在设计的初始阶段就能够从几个方面评估一个新的设计(是否有效)。基于CAESES的几何模型,我们可以进行CFD空气动力学计算以及其他的一些模拟计算。我们可以进行固有频率计算,并考察温度和离心力引起的应力,并计算叶轮的质心和转动惯量。
Q:你喜欢CAESES哪些方面呢?
A:我喜欢这个软件,是因为它是专门针对优化设计的目的来创建能够自动变化的模型的。
Q:对于今后工作,希望CAESES应用在哪里呢?
A:我们之后希望能够用它来设计一个新的水泵。
CAESES中径流式涡轮模型-参数化流体域模型
“通过使用CAESES,我们将涡轮的设计周期由几个月缩短到几周”——Nicolas Lachenmaier
MTU新的设计流程
MTU通过采用参数化的CAESES模型,现在可以在单个仿真流程中自动计算更多的物理量。现在,设计初期的强度和气动仿真中大部分耗时的人工迭代工作已经被淘汰。
下表给出了在以前的涡轮设计过程中以及目前CAESES集成后的工作流程中计算物理量的对比: