0 引　言

船用柴油机涡轮增压叶片的计算机辅助设计优化对于提升船舶动力系统的效率和性能至关重要，它能够通过精确的设计和模拟减少燃油消耗和排放，增强涡轮叶片的可靠性和耐久性，适应多变的工况条件，缩短设计和制造周期，降低成本，并通过数据驱动的方法提高决策的科学性和准确性，从而在满足环保法规的同时提高船舶的经济性和市场竞争力。

传统的船用柴油机涡轮增压叶片设计方法依赖经验公式和物理试验，存在设计周期长、成本高、优化程度有限等问题，而计算机辅助优化设计通过精确的数学模型和算法，能够显著缩短设计周期，降低成本，提高设计的精度和性能，实现全局优化，并增强设计的适应性和灵活性。船用柴油机涡轮增压叶片的计算机辅助设计优化主要采用计算流体动力学（CFD）模拟、有限元分析（FEA）以及多学科优化方法，如遗传算法、粒子群优化等，结合气动热力学和结构力学理论，对叶片的几何形状、材料选择和制造工艺进行综合优化，以提高涡轮的效率、可靠性和耐久性，同时降低排放和生产成本。贺恒^[1]利用Bezier曲线技术来塑造涡轮叶片外形，通过CFD对涡轮叶片进行模拟分析，最终获得了涡轮的性能预测曲线，证实了所设计的涡轮叶片形状的有效性。赵洪波等^[2]对涡轮叶片的型线进行设计，并使用Ansys深入分析了涡轮叶片在不同粘度环境下的流体动力特性。

本文在对船舶柴油机涡轮增压叶片设计相关理论充分研究的基础上，使用Ansys构建涡轮增压叶片的精确几何模型，对设计的叶片模型进行网格划分，生成用于CFD分析的计算网格。使用Ansys Fluent进行CFD模拟，分析叶片在不同工况下的流动特性，如压力分布、速度场和湍流模型。通过不断调整叶片形状和尺寸，优化柴油机涡轮增压叶片的流动特性，提高涡轮效率。

1 涡轮增压叶片设计关键参数

涡轮增压器叶轮的设计参数需要综合考虑气动性能、机械强度和成本等因素，通过优化设计来达到最佳的性能表现。通过计算流体力学（CFD）等现代计算技术，可以对这些参数进行详细的分析和优化，以实现涡轮增压器性能的最大化^{[3 − 4]}。叶片数量、叶片厚度、叶片形状和叶片间距是涡轮增压器叶轮设计的关键参数，它们对增压器的性能有着显著的影响。

1）叶片数量的多少直接影响叶轮的气动性能和机械强度。较多的叶片可以增加叶轮的强度和刚性，但同时也会增加叶轮的重量和制造成本。此外，叶片数量的增加会减小流道面积，可能导致气流在叶轮上的作用时间变长，从而提高增压效果，但也会增加流动损失，影响效率。

2）叶片的厚度对叶轮的强度和重量有重要影响。较厚的叶片可以提供更好的强度和刚性，但会增加叶轮的重量，从而影响涡轮的响应速度和效率。而较薄的叶片虽然可以减轻重量，提高响应速度，但可能会牺牲一定的强度。

3）叶片的形状决定了气流在叶轮内部的流动特性，包括气流的加速、压力的增加以及流动损失。优化的叶片形状可以减少流动损失，提高增压效率。叶片形状的设计通常涉及到复杂的流体力学计算和实验验证。

4）叶片间距，即相邻叶片之间的距离，对气流的流动特性也有影响。适当的叶片间距可以确保气流均匀通过叶轮，减少流动损失和喘振的可能性。叶片间距的设计需要考虑到叶轮的工作效率和机械强度。

2 基于Solidworks的涡轮增压叶片结构设计 2.1 叶片结构二维结构设计

在SolidWorks中进行涡轮增压叶片的结构设计（见图1）通常从创建一个精确的2D草图开始，这包括叶片的轮廓和关键尺寸。随后，利用旋转或扫描特征将这些2D草图转换为3D模型。设计过程中，设计师会使用放样和扫描工具来创建复杂的叶片曲面，这些工具允许根据引导线和轮廓生成平滑连续的曲面。接着，通过加厚操作将叶片的曲面转换为实体，并添加必要的圆角和倒角以优化叶片的强度和减少应力集中。最后，通过阵列或镜像功能复制叶片以形成完整的叶轮。在整个设计过程中，设计师可以利用SolidWorks的参数化设计功能，快速调整叶片的尺寸和形状，以优化性能并满足设计要求^[5]。

2.2 叶片结构三维结构设计

SolidWorks在涡轮增压叶片设计中的优势在于其强大的3D建模能力和直观的用户界面，这使得设计师能够快速创建和修改复杂的叶片形状。其集成的分析工具，如流体动力学分析，可以在设计阶段就预测叶片的性能，从而减少后期测试和修改的需要。此外，SolidWorks的参数化设计允许设计师轻松调整设计参数，实现快速迭代，以找到最佳的设计方案。这种灵活性和效率的提升，不仅缩短了设计周期，还降低了制造成本，使得SolidWorks成为涡轮增压叶片设计中的首选工具。图2是使用SolidWorks对柴油机涡轮增压护罩和叶片进行设计得到的三维结构图。

2.3 叶片的气动性能分析与优化设计

气动性能分析对于涡轮增压叶片的优化设计至关重要，因为它直接关系到叶片在实际运行中的效率和耐久性。叶片的气动性能不仅受叶片本身的几何形状影响，还与叶片与气流的相互作用密切相关。通过计算流体力学（CFD）等数值模拟方法，可以在不实际制造叶片的情况下预测叶片的气动性能，包括叶片表面的气流分布、压力和速度场等关键参数。这些分析结果对于理解叶片在不同工况下的表现和进一步优化设计至关重要。

在优化设计方法方面，现代设计过程中经常采用多学科优化技术，结合了气动学、结构力学和材料科学等多个领域的知识。例如，可以利用叶素-动量理论编程计算涡轮叶片沿展向的弦长分布、扭转角以及诱导因子等，生成叶片各截面参数。然后，通过CFD方法分析叶片气动性能以满足设计要求，研究涡轮输出功率和风能利用系数随飞行高度和来流速度变化特性。此外，还可以采用多目标优化算法，如NSGA-Ⅱ算法可以对涡轮增压叶片的多目标优化，以效率和压比为优化目标，得到Pareto最优前沿解集。

叶片设计参数与气动性能之间的关系复杂而微妙。叶片的设计参数，如叶片形状、叶片间距、叶片数量和叶片厚度，都会影响气流在叶片上的流动特性，进而影响整个涡轮的效率和性能。例如，叶片数量的增加可能会增加叶轮的强度和刚性，但同时也会增加重量和流动损失，影响效率。叶片形状的优化可以减少流动损失，提高增压效率。通过优化这些参数，可以在保证叶片强度和耐久性的同时，最大化其气动性能，从而提高整个涡轮增压器的工作效率。

图3为柴油机涡轮增压叶片气动性能仿真结果，通过仿真可以初步获取气流的流动情况，后续可以进一步通过Matlab进行数值计算分析。

Ansys优化设计过程：不同柴油机涡轮增压叶片结构以及角度对柴油机涡轮增压效果有很大差异，因而需要使用Ansys软件不断调整叶片结构以及安装角度等，如图4所示。

Ansys优化设计过程采用特定的导出功能，将叶片的几何结构以截面数据或表面几何形式传输至TurboGrid软件。这一导出步骤涵盖了所有必须的预处理工作，以便生成的文件能够被TurboGrid的自动化流程所识别。所导出的截面数据详尽地包含了多个叶片截面以及轮毂和叶冠轮廓的点数据；而表面几何信息则额外包含了边界和特征曲线信息，并以ICEM Tetin格式进行导出。

对于定子叶片和转子叶片，分别采用2个独立的TurboGrid实例进行处理，并在CFX软件中进行组合求解，每个方案的计算时长大约需要5～10 min。

2.4 优化结果分析

等熵效率（Isentropic Efficiency）作为船舶柴油机涡轮增压叶片优化设计的核心评价指标，等熵效率定义为涡轮实际输出功与在等熵条件下理论输出功的比值，这一指标能够量化涡轮叶片将热能转换为机械能的效率。在对基线设计和优化设计进行性能评估时，收集在相同操作条件下的实际运行数据是至关重要的。这些数据包括但不限于涡轮入口和出口的温度、压力以及流量等关键参数。

基于热力学第一定律，即能量守恒原理，结合理想气体状态方程，可以计算出在等熵过程中涡轮的理论输出功。这一计算过程涉及对涡轮入口和出口状态参数的精确测量，以及对涡轮内部能量转换过程的详细分析。通过实验或计算方法获得涡轮轴的实际功率输出，进而得到实际输出功。

对叶片进口角和等熵效率之间的关系进行仿真分析，叶片进口角是指增压叶片进口处气流方向与叶片进口处圆周切线方向的夹角。它直接影响着进入叶片的气流速度和方向。当其他条件保持一致时，得到仿真结果如图5所示。

可以发现：

1）当进口角小于35°时，等熵效率的提高主要是由于流动损失的减少和流动加速过程的改善。较小的进口角有助于气流更平缓地进入叶片，减少了气流与叶片前缘的冲击，从而减少了分离和损失。同时，适当的进口角可以使气流在叶片中的加速过程更加充分，提高了能量转换效率。此外，进口角小于35°时还有助于优化叶轮进口流场，减少叶根处的流动损失。这些因素共同作用，使得等熵效率随着进口角的减小而增大，直到等熵效率达到最高。

2）当进口角大于35°时，气流以较大的相对速度进入叶片，可能在叶片通道内产生激波或局部高速流动区域。这会增加气流的能量损失，对等熵效率产生不利影响。过大的进口角还可能使气流在叶片进口处产生撞击，导致气流的流动方向发生剧烈变化，增加流动的不稳定性和损失，可以发现随着进口角不断增大，等熵效率不断降低。

利用收集到的实际运行数据，可以计算出基线设计和优化设计的实际等熵效率。通过对这2种设计在等熵效率上的差异进行对比分析，可以评估优化设计是否有效地提高了涡轮的效率。若优化设计展现出更高的等熵效率，则表明优化措施成功。

3 结　语

船舶柴油机涡轮增压叶片的优化设计能够显著提升动力系统的效率和性能，降低运营成本，同时减少环境影响。本文详细论述了基于计算机辅助的船用柴油机涡轮增压叶片的优化设计方法，这些方法包括2D图纸设计、三维结构设计、气动性能分析等，最后以等熵效率作为评价指标，研究了叶片进口角和等熵效率之间的关系。本文研究结果表明，使用计算机辅助设计方法可以有效提升叶片设计效率，同时通过数值模拟分析能够完成对叶片优化设计后的基本评估。