軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計開題報告

1、攻讀碩士學(xué)位研究生論文計劃學(xué) 號： 20101181 研究生姓名： 吳海英 學(xué) 科： 熱能工程 研 究 方 向： 軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計要素對性能影響的數(shù)值研究 指 導(dǎo) 教 師： 高虹 副教授 李嵩 副教授 2013年 4 月 20日制訂論文題目：軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計要素對性能影響的數(shù)值研究論文開題報告會時間：2013年4月20日開題報告：（論文選題目的、意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容、課題可行性等）一、選題背景、目的和意義我國能源相對短缺，但各主要部門的能源利用率卻很低。如：我國工業(yè)鍋爐的能源效率僅為國外發(fā)達(dá)國家的80%，鋼鐵和冶金的能耗是國外發(fā)達(dá)國家的2倍，鼓風(fēng)機(jī)及水泵效率也僅為國際水平的85%，國產(chǎn)電動機(jī)

2、在產(chǎn)生相同能量的情況下，其電力能耗比國外水平高5%10%。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鼓風(fēng)機(jī)和泵的能源消耗比例占煤炭消耗量的30%1。目前我國風(fēng)機(jī)及水泵裝機(jī)總功率達(dá)到1.1億千瓦，年耗電量約為全國電力消費總量的30%。我國各類風(fēng)機(jī)使用量約2100萬臺，耗電量約占國內(nèi)總用電量12%。雖然風(fēng)機(jī)存在能耗大的缺陷，但是伴隨國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，除了傳統(tǒng)的冶金、礦山、紡織和電力等行業(yè)外，其還應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一些新領(lǐng)域，如高層民用建筑、地鐵、隧道等等2。社會的進(jìn)步帶動了各行各業(yè)的發(fā)展，隨之人們對能源的需求不斷增加。由于離心風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，效率較高和噪聲較低等優(yōu)點，這樣離心風(fēng)機(jī)在有些機(jī)組中仍然被用

3、作大負(fù)荷鍋爐的送引風(fēng)機(jī)。如：前蘇聯(lián)斯拉維揚斯克電廠800MW的鍋爐用離心式送引風(fēng)機(jī)各6臺。為了讓送引風(fēng)機(jī)適應(yīng)大容量鍋爐的需求，廠家通常增加離心風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)臺數(shù)、增加風(fēng)機(jī)葉輪尺寸。雖然在變工況運轉(zhuǎn)時，通過增加離心風(fēng)機(jī)的臺數(shù)可以提高效率和降低成本，但是由于其具有投資大及占地多等缺點，而且風(fēng)機(jī)葉輪尺寸還受到材料強(qiáng)度的制約，因此離心風(fēng)機(jī)的使用受到了一定的限制。據(jù)實際調(diào)查，離心風(fēng)機(jī)的容量已經(jīng)達(dá)到了極限。現(xiàn)在不少國家為了滿足大容量鍋爐的需求，大量采用動葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)作鍋爐的送引風(fēng)機(jī)。因為軸流風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速較高，這樣它具有流量大、全壓低的特點3。可以發(fā)現(xiàn)，軸流風(fēng)機(jī)取代離心風(fēng)機(jī)去用作大容量的送引風(fēng)機(jī)是明智的。軸

4、流風(fēng)機(jī)的“工程設(shè)計方法”即傳統(tǒng)設(shè)計方法是基于二維理想流動理論，并伴有許多經(jīng)驗公式和系數(shù)，來考慮粘性的影響，如翼型升力和阻力系數(shù)，落后角公式等，葉片和整機(jī)的三維影響無法考慮。軸流通風(fēng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計方法簡單，應(yīng)用方便，設(shè)計周期短，至今仍然是風(fēng)機(jī)行業(yè)的主流設(shè)計方法。但是由于該方法完全忽略了流動的三維效應(yīng)和粘性，未考慮部件間的相互影響，忽略了靜動件間隙中存在的二次流等嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)性能的因素，所以僅用工程設(shè)計方法很難給出真正高效的設(shè)計，而且常常通過設(shè)計-實驗-再設(shè)計多次循環(huán)，耗去很多人力財力。近20多年來有二個重要變化：一是出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計方法，它引用了CFD（計算流體力學(xué)）技術(shù)，可以考慮三維和粘性影響

5、?！艾F(xiàn)代設(shè)計方法”是利用工程設(shè)計方法先設(shè)計出一個原始的方案，然后再利用CFD計算來仔細(xì)分析風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的壓力、速度分布及其總體性能等，對原始設(shè)計方案不斷優(yōu)化，使在設(shè)計階段就能預(yù)估風(fēng)機(jī)性能。現(xiàn)代設(shè)計方法的重點和難點是如何使其對風(fēng)機(jī)性能的數(shù)值預(yù)估與實物吻合4。實際上現(xiàn)代設(shè)計方法是CFD計算與工程經(jīng)驗設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，即通過工程設(shè)計給出模型，利用數(shù)值計算校驗設(shè)計效果，提供進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計的改進(jìn)方向，這個變化現(xiàn)在已有很多研究，也得到很好的應(yīng)用；二是工程設(shè)計本身也出現(xiàn)了很多新的思想，如可控渦設(shè)計（即流型設(shè)計采用不同的可控渦指數(shù)）和葉片非徑向成型技術(shù)（即采用不同的前掠和前傾角），運用這些新思想以及應(yīng)用CFD考

6、慮了三維、粘性及與軸流風(fēng)機(jī)性能有關(guān)的參數(shù)要素，如輪轂比，葉片數(shù)，型線的弦長和圓弧半徑比，安裝角等，不過沒有對以上進(jìn)行深刻地研究，特別是結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計方法研究更少。本課題結(jié)合新T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)開發(fā)項目來研究這些設(shè)計參數(shù)對風(fēng)機(jī)性能影響是對氣動設(shè)計有很好的學(xué)術(shù)意義也有很好的工程應(yīng)用價值。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.國外對軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化研究Francois7等討論了進(jìn)口無導(dǎo)葉軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計，指出不同的渦指數(shù)具有不同的氣動設(shè)計，合適的可控渦設(shè)計要比自由渦設(shè)計復(fù)雜的多。并且還指出輪轂比對葉輪性能有重要的影響，較小的輪轂比有較大的靜壓效率但有較小的風(fēng)機(jī)靜壓，為了提高靜壓，需要有較高的輪轂扭曲，這樣會

7、導(dǎo)致?lián)p失增大。J Vad8分析了軸流風(fēng)機(jī)和無導(dǎo)葉壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子中的葉片非徑向堆積技術(shù)即葉片的前傾和前掠對風(fēng)機(jī)的氣動性能影響。該作者認(rèn)為葉片前掠和前傾對低速軸流風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部分工況具有下列優(yōu)點：改善效率和性能及擴(kuò)展了非時速工況范圍，而且還認(rèn)為CFD是預(yù)估非徑向葉片堆積的氣動力影響以及將前掠和前傾并入葉片設(shè)計技術(shù)的必要工具。J Vad，A R A Kwedikha910等對比了可控渦設(shè)計和自由渦設(shè)計指出：前者葉片吸力邊邊界層內(nèi)的流體增大了徑向向外遷移的趨勢，這樣也就增大了葉頂?shù)亩氯蛽p失。對比葉片在自由渦設(shè)計中的作用，葉片前掠更適合于在可控渦設(shè)計中來減緩葉頂?shù)膿p失。S-J Seo，S-M Choi

8、，and K-Y Kim*11對一低速軸流風(fēng)機(jī)采用前掠和前傾即堆積線的變化進(jìn)行了三維數(shù)值模擬優(yōu)化，指出當(dāng)前掠和前傾并用時，軸流風(fēng)機(jī)的全壓效率改善最多。在一個設(shè)計工況的全壓值下，作者發(fā)現(xiàn)其模擬計算結(jié)果與實驗符合。Kahane,A.12進(jìn)行了軸流風(fēng)機(jī)的三維流動優(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)周篤高導(dǎo)出了低壓軸流風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化及特性數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型，建立了相應(yīng)的優(yōu)化過程及工程計算方法，為開展礦用風(fēng)機(jī)的CAD及CAT進(jìn)行了部分基礎(chǔ)性的工作。Sorensen,D.N.，and Sorensen,J.N131415則進(jìn)行了風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬優(yōu)化計算，但是由于通風(fēng)機(jī)的氣動計算復(fù)雜，有時計算法很難實現(xiàn)和處理。國內(nèi)有些學(xué)者試著用電子

9、表格處理風(fēng)機(jī)的優(yōu)化問題，收到的效果很好，也具有一定的經(jīng)濟(jì)性。Wallis16研究了一個有進(jìn)口導(dǎo)流器的軸流通風(fēng)機(jī)的級裝置，該系統(tǒng)考慮的是自由渦流流動類型且還有一些重要的參數(shù)，比如升壓比率被認(rèn)為是某些合理的值，因此也就導(dǎo)出了一個包含葉頂速度比、輪轂比和下游損失在內(nèi)的效率和總壓方程式，這樣Wallis給出了含有3個變量的關(guān)于總壓和效率的方程。Dugao et al.17提出了一個礦用軸流通風(fēng)機(jī)的數(shù)值通風(fēng)優(yōu)化方法，采用一個自由渦流流動方法，比同類型裝置的效率要高很多。而且值得一提的是，Dugao et al.提出的數(shù)值優(yōu)化方法還有一個附帶的優(yōu)點，它還大大地降低了軸流通風(fēng)機(jī)的噪聲。Sorensen,D.

10、N.18等人進(jìn)行風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計時，軸流通風(fēng)機(jī)的效率是在設(shè)計的區(qū)間流量上而不是在設(shè)計點上來考慮的。這就使得設(shè)計的通風(fēng)機(jī)在各種工況下運行良好，這個優(yōu)化的最大優(yōu)點是相對于流量區(qū)段而提出的優(yōu)化設(shè)計。2.國內(nèi)對軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化研究王巍雄、李嵩和朱之墀19對軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片成型進(jìn)行了研究，對比以往軸流葉片成型要采用直接展開法，這三位作者實現(xiàn)了不可展開曲面的極值展開方法，且對其原理步驟等作了詳細(xì)介紹，并將其成功地應(yīng)用到了軸流通風(fēng)機(jī)葉片的展開。對比直接法葉片展開成型，極值法具有高精度、展開唯一和誤差分布均勻等優(yōu)點。周帆和葉舟20運用CFD數(shù)值技術(shù)，對T40軸流風(fēng)機(jī)不同輪轂比模型在設(shè)計工況下的流場結(jié)構(gòu)和氣動設(shè)計進(jìn)

11、行了對比，分析了輪轂比對風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響變化規(guī)律，指出當(dāng)全壓系數(shù)和比轉(zhuǎn)速選取相應(yīng)的六種輪轂比為0.325、0.350、0.375、0.400、0.425和0.450時，效率與輪轂比幾乎呈線性遞減關(guān)系。最高效率點出現(xiàn)在輪轂比0.35處，輪轂比0.45時效率最低，T40風(fēng)機(jī)輪轂比效率值僅處于中間水平。而且還指出，葉片扭曲軸線處和葉頂部分承受了最大載荷，并對輪轂比數(shù)值優(yōu)化進(jìn)行了有益的探索。昌澤舟21等從提高紡織軸流通風(fēng)機(jī)效率、降低風(fēng)機(jī)氣動噪聲的目標(biāo)出發(fā)，采用葉片前彎前掠技術(shù)，在葉輪葉片的重心線上各基元截面采用高效翼型的最優(yōu)化流型成型。應(yīng)用葉片前彎前掠和最優(yōu)流型相結(jié)合的技術(shù)研制開發(fā)了JYFZ新型紡織

12、軸流通風(fēng)機(jī)，并與目前紡織行業(yè)應(yīng)用量較大FZ40(35)-1112型紡織軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對比性能測試。結(jié)果表明，JYFZ型紡織軸流風(fēng)機(jī)具有效率高、噪聲低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單及工作區(qū)域?qū)拸V等特點。李嵩和朱之墀22從解決軸流風(fēng)機(jī)復(fù)雜工程問題的解決方法出發(fā)，結(jié)合風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計闡述了軸流風(fēng)機(jī)性能預(yù)估數(shù)值模擬的低位和它的技巧。其中包括軸流風(fēng)機(jī)的如何正確建模和計算域的確定、生成整機(jī)網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件及確定收斂判據(jù)。因此說數(shù)值模擬需要技巧才能得到正確的數(shù)值結(jié)果，技巧一定要通過長期實踐不斷積累。金元日、王軍和于文文23采用Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模型，對低壓軸流通風(fēng)機(jī)采用兩種不同流型即等環(huán)量流型

13、和改進(jìn)型流型（變環(huán)量加不同流型沿徑向的組合）進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)內(nèi)流模擬，詳細(xì)分析兩種流型因造成葉片根部安裝角的變化而對軸流通風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生影響。并對采用改進(jìn)型流型設(shè)計的樣機(jī)采用了大渦模擬和聲學(xué)模型進(jìn)而進(jìn)行噪聲預(yù)測分析。計算結(jié)果表明，改進(jìn)型流型設(shè)計不僅能改善葉輪根部的流動，同時也有利于風(fēng)機(jī)的氣動噪聲改善。由以上可見，國內(nèi)和國際的風(fēng)機(jī)設(shè)計者們大多就軸流風(fēng)機(jī)中某一設(shè)計要素的改進(jìn)分析了其造成的影響，并沒有關(guān)于軸流通風(fēng)機(jī)中各設(shè)計要素對其本身的性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，也沒有很好的分析軸流風(fēng)機(jī)中相關(guān)設(shè)計要素彼此之間的相互影響。本課題進(jìn)行的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計要素對其性能影響的數(shù)值研究是針對新T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)的開發(fā)

14、，基于改進(jìn)的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計要素（輪轂比、葉片流型、葉片傾掠和葉片成型等），利用已經(jīng)開發(fā)的軸流風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計程序，結(jié)合整機(jī)數(shù)值模擬和性能優(yōu)化，希望得出性能明顯改進(jìn)的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)，同時能夠合理的分析和總結(jié)軸流風(fēng)機(jī)各設(shè)計要素對軸流風(fēng)機(jī)性能的影響。三、課題主要內(nèi)容3.1 軸流風(fēng)機(jī)的介紹24按照我國對通風(fēng)機(jī)的分類方法，風(fēng)壓在490pa以下，氣體沿軸向流動的通風(fēng)機(jī)稱為軸流式通風(fēng)機(jī)。軸流風(fēng)機(jī)主要由集風(fēng)器，葉輪，前后導(dǎo)流器和擴(kuò)散筒等組成，如圖1所示，其中葉輪和導(dǎo)葉組成通風(fēng)機(jī)的級。氣流由集流器進(jìn)入軸流通風(fēng)機(jī)，經(jīng)前后導(dǎo)葉獲得預(yù)旋后，在葉輪動葉中獲得能量，再經(jīng)后導(dǎo)葉將一部分偏轉(zhuǎn)氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后

15、氣體流經(jīng)擴(kuò)散筒，將一部分軸流氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能后輸入到管路中。與離心式通風(fēng)機(jī)相比，軸流式通風(fēng)機(jī)具有低壓、大流量的特點。一般軸流式通風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)較低，當(dāng)<0.6時，流量系數(shù)較高，=0.3-0.6 。因為軸流式通風(fēng)機(jī)的全壓較低，一般都采用單級結(jié)構(gòu)，單級軸流式的比轉(zhuǎn)速為ns=18-90(100-150)。目前，單級軸流式通風(fēng)機(jī)的全壓效率已達(dá)到90%以上，帶有擴(kuò)散筒的單級通風(fēng)機(jī)的靜壓效率可達(dá)83%-85%。近年來軸流式通風(fēng)機(jī)已逐漸向高壓方向發(fā)展，許多大型離心式通風(fēng)機(jī)有被軸流式通風(fēng)機(jī)取代的趨勢。 圖1 軸流風(fēng)機(jī)示意圖（1）葉輪葉輪與軸一起組成了通風(fēng)機(jī)的回轉(zhuǎn)部件，通常稱為轉(zhuǎn)子。葉輪是軸流式通風(fēng)

16、機(jī)對氣體做功的唯一部件，葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片沖擊氣體，使空氣獲得一定的速度和風(fēng)壓。 軸流通風(fēng)機(jī)的葉輪由輪轂和葉片組成，輪轂和葉片的連接一般為焊接結(jié)構(gòu)。葉片有機(jī)翼型、圓弧板形等多種，葉片從根部到葉頂常是扭曲的，有些葉片與輪轂的連接為可調(diào)式，以改變通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓，一般葉片數(shù)為4-8個，其極限范圍則在2-50個之間。（2）集風(fēng)器和流線罩集風(fēng)器（吸風(fēng)口）和流線罩兩者組成光滑的漸縮形流道，其作用是將氣體均勻地導(dǎo)入葉輪，減少入口風(fēng)流的阻力損失。（3）前、后置導(dǎo)流器前導(dǎo)流器的作用是使在入口產(chǎn)生負(fù)旋繞，以提高風(fēng)機(jī)的全壓。此外前置導(dǎo)流器常做成可旋轉(zhuǎn)的，通過改變?nèi)~片安裝角度可以改變風(fēng)機(jī)的狀況。后導(dǎo)流器的作用是扭轉(zhuǎn)從

17、葉輪流出的旋轉(zhuǎn)氣流，是一部分偏轉(zhuǎn)氣流由動能變?yōu)殪o壓能，同時可減少因氣流旋轉(zhuǎn)而引起的摩擦和漩渦損失動能。（4）擴(kuò)壓器在軸流風(fēng)機(jī)級的出口，氣流軸向速度很大。擴(kuò)散筒的作用是將一部分軸流氣流動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使風(fēng)機(jī)流出的氣體的靜壓力進(jìn)一步提高，同時減少出口突然擴(kuò)散損失。3.2 軸流風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計的工程方法軸流通風(fēng)機(jī)的氣動力工程設(shè)計方法主要有兩種：一種是軸流風(fēng)機(jī)的葉片成型；另一種是軸流風(fēng)機(jī)的氣動性能設(shè)計。其中氣動性能設(shè)計包括根據(jù)單個翼葉的空氣動力學(xué)性能分析與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，稱為孤立葉型法，還有是利用葉柵理論和葉柵的吹風(fēng)實驗結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，稱為葉柵設(shè)計法。本文研究對象是不加前后導(dǎo)葉的低壓軸流風(fēng)機(jī)，這種風(fēng)

18、機(jī)葉柵的稠度不大，一般，可作為孤立葉片來處理，采用孤立葉型法進(jìn)行設(shè)計。影響軸流風(fēng)機(jī)壓力和效率的參數(shù)很多，其中軸流風(fēng)機(jī)中的輪轂比，可控渦指數(shù)（即葉片流型），前掠和前傾量，葉片數(shù)，安裝角及數(shù)值成型技術(shù)等都對軸流風(fēng)機(jī)的性能有很大影響。3.2.1 二維基本方程及其求解（1）：參數(shù)選取由實際生產(chǎn)需求，壓頭、流量、轉(zhuǎn)速、輪轂直徑、氣體密度是確定的，需要選定的是流型系數(shù)、輪轂比、弦長與葉型曲線的曲率半徑之比、效率曲線和升力系數(shù)曲線。當(dāng)確定了上面10個參數(shù)后，可根據(jù)各基元級的半徑值來求解葉型的其它幾何成型參數(shù)，包括各個基元級的安裝角、弦長、拱高等，下文簡寫為的函數(shù)。（2）：主要計算公式1 圓周速度及壓力系數(shù)：

19、 ，在設(shè)計中，需要根據(jù)計算出的來大致確定軸流通風(fēng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)方案：，采用單獨葉輪級；，采用葉輪加后導(dǎo)葉級；，采用前導(dǎo)葉加葉輪加后導(dǎo)葉級。本文研究對象符合的條件，所以采用單獨葉輪級。2 計算軸向速度均勻，則，3 計算各個基元級截面的，（各葉片截面進(jìn)出口的全壓）、和分別為和z方向出口的絕對速度分量，其將由徑平衡方程，能量方程及流型方程三個方程確定，即：（徑向動量方程） （全壓方程）（渦分布方程）式中為葉片截面的流動效率，設(shè)計時由經(jīng)驗給出；為流型指數(shù)，又稱環(huán)量指數(shù)或可控渦指數(shù)，當(dāng)，即為等環(huán)量指數(shù)，也稱為自由渦指數(shù)。如給定后，和即可求得，再從第一式解得。注意：求解時需要二個常數(shù)，即渦分布有一個常數(shù)，另

20、外，動量方程是一階常微分方程需要一個常數(shù)，這二個常數(shù)由給定的設(shè)計工況的風(fēng)機(jī)流量和全壓條件確定。計算葉片速度三角形 圖2 葉型參數(shù)示意圖葉片某一基元級的速度三角形如圖所示。其中4 其它參數(shù)其中是工程設(shè)計中的調(diào)整參數(shù)，得到本文的取值范圍為，確定之后，計算得到攻角的值，進(jìn)而可以計算得到葉型安裝角。拱高, 。3.3 影響氣動性能設(shè)計的要素為了進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)性能，風(fēng)機(jī)行業(yè)中不斷涌現(xiàn)一些新思想，也提出一些新的設(shè)計要素，這里介紹近年來的一些新觀點：3.3.1 輪轂比輪轂比是軸流風(fēng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，對風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性及氣動性能具有很大影響，輪轂比過大，會造成風(fēng)機(jī)效率降低，性能惡化；輪轂比過小，會造成葉片根部氣流分

21、離，甚至產(chǎn)生風(fēng)機(jī)失速現(xiàn)象25。每種型號的風(fēng)機(jī)都應(yīng)有其對應(yīng)的最佳輪轂比，一般按照全壓系數(shù)和輪轂比比轉(zhuǎn)速曲線綜合來選取的輪轂比也不一定能恰好選到最佳輪轂比，因此關(guān)于軸流風(fēng)機(jī)輪轂比的分析研究和最佳輪轂比選取具有重要意義。結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研可知20，基于T40軸流風(fēng)機(jī)，葉輪外徑250mm，輪轂比0.4，其葉片系圓弧等厚薄板，葉片安裝角25°，有關(guān)人員在T40-n2.5的基礎(chǔ)上建立了六種不同輪轂比葉輪模型。圖3給出了六種輪轂比（0.325、0.350、0.375、0.400、0.425和0.450）模型在設(shè)計工況下(流量0.62kgs)，壓頭隨輪轂比變化曲線。由圖可見，風(fēng)機(jī)靜壓升Pst全壓升P隨著輪

22、轂比增加而降低。前四種小輪轂比風(fēng)機(jī)基本達(dá)到了設(shè)計壓頭，v=0.45方案時全壓升僅為94Pa。由此表明，輪轂比越小，風(fēng)機(jī)流道中阻力損失越小，能量耗散越小，獲得較大的壓頭。圖3 輪轂比-壓力曲線圖4所示為不同輪轂比模型的靜壓效率、全壓效率隨輪轂比變化曲線。由圖可知，風(fēng)機(jī)靜壓效率、全壓效率隨輪轂比的增加先微小增大然后線性遞減，最低全壓效率仍然達(dá)到74以上，基本符合按全壓系數(shù)推薦的輪轂比范圍。在設(shè)計流量下，v=0.45方案效率最低，此時靜壓效率全壓效率最高，相比T40風(fēng)機(jī)，效率提高了5.7；因此，存在最佳輪轂比為0.35左右。從以上分析可知，輪轂比對葉輪性能有重要影響，較小的輪轂比有較大的靜壓效率但有

23、較小的風(fēng)機(jī)靜壓，為了得到高的靜壓，就需有更高的輪轂扭曲，導(dǎo)致?lián)p失增大。 圖4 輪轂比的效率曲線3.3.2 葉片流型軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計中流型直接影響葉輪的空間扭曲程度?，F(xiàn)在工程軸流通風(fēng)機(jī)中葉片多采用等環(huán)量流型設(shè)計，造成根部扭曲大，安全可靠性低的問題。為改善根部流動特征，采用變環(huán)量和不同流型沿徑向的組合來改善這一問題2627，其中對常規(guī)孤立翼型法設(shè)計不同輪轂比的軸流風(fēng)機(jī)提出改進(jìn)途徑，多采用改進(jìn)型流型替代常用等環(huán)量流型，有助改善根部流動。將不同改進(jìn)流型與等環(huán)量流型相比，改進(jìn)流型的葉輪空間扭曲角在根部變化最大，沿徑向扭曲角25°變?yōu)?7°。在可控渦設(shè)計中，對應(yīng)不同的渦分布系數(shù)n值（又稱渦

24、指數(shù)）就有不同的氣動設(shè)計7（注意可控渦指數(shù)n和前面提出的可控渦指數(shù)的關(guān)系是）。當(dāng)n=-1 即自由渦分布（即等環(huán)量）時，出口軸向速度和全壓沿徑向均為常數(shù)，因為這里討論的氣動設(shè)計都是二維的，顯然這樣的氣動性能會較好，所以是最常用的，且更適用于葉片長（即輪轂比?。┑妮S流風(fēng)機(jī)，但其主要缺點是葉片扭曲大，造成加工困難和根部有大的彎曲應(yīng)力。這種設(shè)計在接近輪轂處有大的軸向長度，而且在輪轂處會有過大的周向速度，增大流動損失。當(dāng)n=1 即葉片出口角為常數(shù)，因為這時出口軸向速度和周向速度均隨徑向線性減少，它具有和n=-1類似的葉片葉片扭曲大的缺點。當(dāng)n=2,葉片扭曲比n=1更大，看來沒有任何的優(yōu)點，不能用于輪轂比

25、小于或等于0.628。當(dāng)n=0，徑向為等周向速度分布，它減緩了葉片的扭曲，但造成軸向速度在徑向有大的變化，不能適用于輪轂比小于或等于0.2。所有的非自由渦的可控渦設(shè)計都會造成軸向速度的徑向不均，使經(jīng)過葉片的流線漂移，且葉輪中部參數(shù)又不能代表整個葉輪流動的條件，需要沿徑向積分才能得到葉輪的性能?？傊?，合適的可控渦設(shè)計要比自由渦設(shè)計復(fù)雜的多，而且設(shè)計的好壞直接影響葉輪的性能。3.3.3 考慮輪轂比與渦指數(shù)的綜合作用對風(fēng)機(jī)性能的影響7圖5 不同渦指數(shù)和輪轂比綜合對風(fēng)機(jī)的影響曲線采用不同輪轂比（0.2，0.3，0.4，0.5和0.6）和可控渦指數(shù)（n=-1n=-0.2）。針對上述設(shè)計條件，由FANVT

26、X和FANOPT得到的風(fēng)機(jī)靜壓效率結(jié)果如上圖5所示。設(shè)計后結(jié)論如下：1 縱觀所有的輪轂比，總體上看是自由渦（n=-1）靜壓效率接近最高（最高效率的渦指數(shù)在n=-0.9附近），而且輪轂比越小，效率越高。只有輪轂比在0.2和0.3時，在可控渦指數(shù)為n=-0.95n=-1之間時，輪轂比0.3的靜壓效率比0.2高，但相差不大。在自由渦時，靜壓效率相差最大也不到0.5%,輪轂比為0.3時，自由渦的靜壓效率為73%，而輪轂比為0.2時效率為72.5%。2 最大靜壓效率73.9%發(fā)生在輪轂比為0.2和可控渦指數(shù)為n=-0.84處。3 輪轂比越小，可設(shè)計的渦指數(shù)范圍越小，而且限于較小的渦指數(shù)值，如在輪轂比為0

27、.2時，合適的渦指數(shù)為n=1<n<n=0.68，如再增大渦指數(shù)值，如當(dāng)n=-0.67時，則由連續(xù)方程，在葉根處會出現(xiàn)軸流速度為負(fù)值。4 輪轂比越大，可適用的渦指數(shù)有更多的范圍，但代價是降低了靜壓效率，理由是較高的風(fēng)機(jī)流量導(dǎo)致動壓的增大，它對靜壓和靜壓效率有很大的影響（注意：大輪轂比用于大流量系數(shù)）。5 特別值得注意的是0.2<xh<0.4,，靜壓效率的差別小，只有1.5%的范圍，這樣就可建議：犧牲一點小的靜壓效率，允許使用較大的渦指數(shù)，來減少葉片扭曲，減少制作和應(yīng)力的麻煩。6 對于給定輪轂比，當(dāng)n=1<n <n=0.8時，可控渦指數(shù)對靜壓效率影響較小。除xh

28、=0.2外，最高效率點的渦指數(shù)接近n=0.9，不是自由渦情況n=1,應(yīng)該承認(rèn)葉片實際制作的小的偏差也將導(dǎo)致渦指數(shù)的偏差。由上述可知，輪轂比對葉輪性能有重要影響，較小的輪轂比有較大的靜壓效率但有較小的風(fēng)機(jī)靜壓，為了得到高的靜壓，就需有更高的輪轂扭曲，導(dǎo)致?lián)p失增大。3.3.4 前掠和前傾單個軸流風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化都是采用徑向堆積（RS）葉片成型，單個葉片重心總在徑向線上。作為徑向堆積技術(shù)葉片優(yōu)化成就有力補(bǔ)充的非徑向堆積技術(shù)（NBS）2930能減少接近輪轂和葉頂?shù)膿p失，控制二次流和高損失流體的的遷移。因而，NRS已廣泛地用于軸流風(fēng)機(jī)性能和效率改進(jìn)29-41，也已經(jīng)成為減少轉(zhuǎn)子中噪聲的獨

29、特工具32,42-45。葉片的掠、雙反角和傾斜已成為軸流透平機(jī)械葉列中常用的NRS技術(shù)2930。掠的定義是臨近的上下二個葉片截面如上面對于下面對著來流方向向前平移，則為前掠（FSW），如圖6中的+SW為前掠，而對于后掠（BSW）的定義恰好和前掠相反，如圖6中-SW為后掠。值得注意的是，在通風(fēng)機(jī)中應(yīng)用時都是沿著整個葉片展開（即所有徑向截面都是一個方向），通常是前掠，見圖6，但是在壓縮機(jī)中有沿局部葉片展開為局部前掠（主要在葉頂或葉根附近）。圖6 軸流風(fēng)機(jī)中的葉片前掠傾的定義是臨近的上下二個葉片截面如上面對于下面對著來流按旋轉(zhuǎn)方向即周向轉(zhuǎn)動一段距離，則為前傾（FSK），相反轉(zhuǎn)動為后傾葉片（BSK），

30、見圖7。這里的雙反角定義一是沿周向葉頂是前傾，而輪轂是后傾；二葉頂是后傾，輪轂是前傾。必須強(qiáng)調(diào)指出，由于NRS的氣動力效應(yīng)的復(fù)雜性，用CFD來評估這些效應(yīng)能起關(guān)鍵作用，它能提供一種將NRS引入葉片設(shè)計的綜合手段。FSW和FSK的好處，最主要是改善吸力邊界層內(nèi)流體向外的遷移。對于軸流風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子來說，邊界層內(nèi)由于主流速度低，離心力大于徑向壓力梯度，造成邊界層內(nèi)低能流體徑向向外遷移并在葉頂附近堆積，引起葉頂損失的增大和提前葉頂失速，采用前掠來減少吸力邊界層內(nèi)流體的“離心力”3340，這樣也就減少了葉頂損失。圖7 軸流風(fēng)機(jī)中的葉片前傾 圖8比較了前掠和不掠時低能流體的區(qū)域，圖中細(xì)實線是等壓線，它

31、使前緣邊界層內(nèi)的流體向外（葉頂方向）流動，造成頂部低能流體的積累。由于前掠，等壓線向前傾斜，上述向外的流動變得向軸向傾斜，這就減少了葉頂?shù)湍芰黧w的積累，減少損失，提高了全壓和效率46。由于可控渦設(shè)計會增強(qiáng)吸力邊邊界層內(nèi)的流體向外流動，這是由于非自由渦設(shè)計造成的流層扭曲4647，結(jié)果可控渦設(shè)計就增強(qiáng)了這種傾斜，它更易形成頂部滯止的高損失區(qū)33，也增強(qiáng)了葉頂失速48。由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前掠能成功地減緩這種滯止區(qū)，針對這種情況，可以得出結(jié)論，F(xiàn)SW/FSK特別適合用于可控渦設(shè)計，能減少葉頂損失。由此可知，前掠用于可控渦設(shè)計可減少三維擴(kuò)壓損失和葉頂高損失的滯止區(qū)。圖8 軸流風(fēng)機(jī)中的前掠和不掠通過分析軸流風(fēng)機(jī)

32、中有無前掠對FVD（自由渦設(shè)計）和CVD（可控渦設(shè)計）的影響時發(fā)現(xiàn)9，當(dāng)風(fēng)機(jī)是FVD又不掠時，由于離心力作用，吸力面邊界層的低能遲滯的流體有向外（葉頂）遷移的流動，造成葉頂流體的堵塞和葉頂損失；當(dāng)風(fēng)機(jī)是CVD又不掠時，由于CVD使葉片做功在展向增大，造成這種低能流體的向外遷移流動的加劇，且頂部邊界層厚度和這種做功梯度成正比，就增大了葉頂流體的堵塞和葉頂損失；而當(dāng)FVD有前掠時，沿流動擴(kuò)壓造成壓力增大的等壓線向前傾斜，壓制了吸力面邊界層的低能遲滯流體向外（葉頂）遷移的流動，減緩了這種流線向外流動，因而也就減緩了葉頂流體的堵塞和葉頂損失。當(dāng)CVD有前掠時，前掠也使向外流線減少傾斜，而且離輪轂更遠(yuǎn)處

33、才開始有這種遷移，縮短了遷移流體的遷移軌跡，改善了葉頂流體的堵塞和葉頂損失和壁面摩擦損失，這樣CVD時前掠的效果更好。值得強(qiáng)調(diào)的是，對中等載荷且FVD時，前掠只有中等改善氣動性能，而對CVD，特別是很強(qiáng)的非自由渦流動時，前掠會有較重大的氣動性能改善。3.3.5 葉片數(shù)值成型傳統(tǒng)的葉片成型方法有圓柱面成型法和圓錐面成型法。其中圓柱面成型法，具有工藝簡單，成本低的特點。它的成型原理是將裁好的板料毛坯按一定角度置于圓柱面上，然后用沖壓等手段使板料毛坯與圓柱面貼合。然而，這種方法存在嚴(yán)重缺陷，這種缺陷表現(xiàn)在很難滿足沿葉高扭曲和彎角劇烈變化的氣動設(shè)計規(guī)律，導(dǎo)致葉片前緣部分區(qū)域氣流的進(jìn)氣沖角增大；圓錐面成

34、型法與圓柱面成型方法相比，圓錐面成型法增加了一個錐角自由度，其靈活性更大，特別是葉根靠近錐頂安放的形式與一般葉片葉根彎角大、葉頂彎角小的規(guī)律相吻合，使得用這種方法成型的板料扭曲葉片可以較好地滿足沿葉高彎角和扭向的各種設(shè)計要求，以這種方法研制出的LHLA系列軸流風(fēng)機(jī)，已經(jīng)證明了該方法是成功的。現(xiàn)代軸流通風(fēng)機(jī)的葉片徑向有很強(qiáng)的扭曲和彎折，葉片表面是一個很復(fù)雜的三維曲面，通常是“不可展”的，這給葉片下料、成型帶來困難，如采用圓柱法或圓錐法49來強(qiáng)制擬合曲面，常會造成大的誤差。從數(shù)學(xué)上來看，“不可展曲面”是無法精確展開為平面的，所以只能通過某種近似方法展開。蘇步青等50在實用微分幾何引論中將不可展曲面

35、的近似展開問題，歸納為一個無條件極值問題，其基本思想是保持展開前后曲面上所有網(wǎng)格點之間的距離變化最小，這種算法是一種求極圖9 環(huán)面展開網(wǎng)格的面積相對誤差分布（單位：%）值算法，這里稱之為極值展開法，實質(zhì)上它是一種展開誤差最小的優(yōu)化方法，而且它不需要事先指定展開的基準(zhǔn)網(wǎng)格，只要從合理的初始網(wǎng)格出發(fā)，所得的展開結(jié)果是唯一的。極值展開法的原理是盡量保持相鄰網(wǎng)格點間的距離在展開前后變化量最小。實際上，與直接法相比，極值展開法使網(wǎng)格變形分布更趨均勻19，而直接法的局部展開誤差分布則受基帶影響非常顯著。以環(huán)面展開為例，網(wǎng)格的面積相對誤差分布比較如圖9所示。從圖中可以看到三角線法在基點和基帶上的展開誤差很小

36、，而在遠(yuǎn)離基帶的角落，誤差積累已非常嚴(yán)重。3.3.6 軸流風(fēng)機(jī)性能的整機(jī)數(shù)值模擬（1）建模及計算域確定圖10 計算采用的建模圖（建模1實線，建模2虛線）數(shù)值建模，又稱物理建?；驇缀谓?，簡稱建模，它直接關(guān)系到計算域的確定，邊界條件的合理設(shè)置和數(shù)值計算的前后處理，所以建模是影響數(shù)值計算的一個全局性的問題，必須引起高度重視。數(shù)值計算結(jié)果總需有考核，通常都用已有實測數(shù)據(jù)考核其結(jié)果是否正確。作為建模技巧，它必須和風(fēng)機(jī)性能試驗的標(biāo)準(zhǔn)相同，也就是建模必須是包括風(fēng)機(jī)和整個測試裝置，其測點也要和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方法一致。另外，為了給定合適的物理邊界條件和計算收斂，有時還需要在前或后附加一段計算域合在一起來建模。

37、有必要千萬不能認(rèn)為建模和計算域只要包括整個風(fēng)機(jī)部件就可，這點需要引起注意。以低壓軸流風(fēng)機(jī)性能數(shù)值模擬為例，有些文獻(xiàn)51-53的建模認(rèn)為只要包括集流器（有的稱進(jìn)風(fēng)口），葉輪，導(dǎo)葉和風(fēng)機(jī)前后要求連接（或為了便于計算收斂故意延伸）的一段短管道等，認(rèn)為就已考慮了風(fēng)機(jī)各部件影響的三維整機(jī)建模，而數(shù)值模擬結(jié)果又用國際或國家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)性能測試數(shù)據(jù)來考核，這樣建模和考核就有矛盾，因為后者的實測數(shù)據(jù)是在風(fēng)機(jī)整機(jī)前或后連接一段很長的管道，以求得到一段區(qū)域中相當(dāng)均勻的流動，并在此處測量靜壓，才能得到比較正確的風(fēng)量和全壓值。所以，如果數(shù)值模擬結(jié)果是需要用國際或國家標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)機(jī)性能測試數(shù)據(jù)來考核，則原則上建模必須和實測的

38、試驗裝置保持完全一致，而且靜壓測試位置和取值方法也需和實測相同，對于低壓軸流風(fēng)機(jī)性能數(shù)值模擬，更是需要這樣處理。原因很簡單，前連接管道會改善進(jìn)口流動，因而可提高風(fēng)機(jī)全壓和全壓效率；而后連接管道則有助于風(fēng)機(jī)出口的不均勻的周向和軸向速度變得均勻，在這均勻化的過程中獲得的能量轉(zhuǎn)化為出口測點處靜壓的提高，也就提高了風(fēng)機(jī)的靜壓和靜壓效率，因此，建模時不能隨意增加或減少前后連接管道，而且必須保證靜壓測試位置和取值的方法相同。李嵩和朱之墀22給出了一個數(shù)值計算的實例來分析不同建模的后果，具體為有一個集流器連接的葉輪直徑為0.89m的管道軸流風(fēng)機(jī)，管道直徑d為0.894m，設(shè)計風(fēng)量為36000m3/h，轉(zhuǎn)速為

39、1450rpm，數(shù)據(jù)考核要求取自GB/T1236-2000的進(jìn)氣法性能試驗測試，在風(fēng)機(jī)出口處需接一個超過10d（9m）長的管道，在8.5d（7.65m）A-A截面處，測得的壁面靜壓作為風(fēng)機(jī)出口靜壓，按此標(biāo)準(zhǔn)建模，如圖10實線所示，圖中為了建立合適的進(jìn)口邊界條件，在集流器前還連接一個直徑5m的半球，這就是建模方案1。在數(shù)值模擬時關(guān)于風(fēng)機(jī)出口靜壓的確定，從來都是取出口截面的平均靜壓，但發(fā)現(xiàn)在低壓軸流風(fēng)機(jī)中這樣確定會產(chǎn)生較大的誤差，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)機(jī)出口連接管道8.5d處的截面上靜壓分布仍不均勻，截面平均靜壓為164.0Pa，而圓環(huán)壁面的靜壓均值是170.7Pa，二者差別達(dá)6.7Pa，考慮到實際性能測試時是

40、按國標(biāo)在該截面管壁圓周上均布開四個孔，接測壓管測壓，測得的是壁面處的靜壓，這樣按現(xiàn)在測試標(biāo)準(zhǔn)，（靜壓為170.7Pa），算得靜壓效率為37.9%，但按其截面平均靜壓（164.0Pa）計算靜壓效率為40.9%，靜壓相對誤差達(dá)3%，如表1所示。原因是低壓軸流風(fēng)機(jī)靜壓本來就低，這點差別，對風(fēng)機(jī)性能影響就較大，因此需特別強(qiáng)調(diào)數(shù)值模擬時的出口靜壓取值方式也必須和測試方法相同。為了比較不同建模的影響，改變出口長度10d為5d，相應(yīng)的靜壓測點位置由8.5d改為4.25d處，（即B-B截面），作為建模方案2，在圖10中用虛線表示。它們的進(jìn)出口邊界條件均用壓力給定條件，計算靜壓的測點也和實測相同，表1為二個方案

41、的計算結(jié)果比較，看到建模中只是風(fēng)機(jī)出口管道長度和相應(yīng)測點位置有差別，但方案2的風(fēng)機(jī)靜壓比方案1高25Pa（提高10.4%），靜壓效率高3.8%，說明不同建模的結(jié)果差別很大。表1 不同建模的數(shù)值模擬結(jié)果（壓力Pa，效率%）(n=1450rpm，Q=36000m3/h，風(fēng)機(jī)出口計算軸向動壓152.3Pa)建模方案風(fēng)機(jī)進(jìn)口總壓風(fēng)機(jī)出口靜壓風(fēng)機(jī)出口總壓風(fēng)機(jī)全壓全壓效率葉輪效率風(fēng)機(jī)靜壓靜壓效率1-64.9203.1355.4420.364.280.3268.040.92-64.9228.1380.4445.368.080.3293.044.7Guedel54等分析了同一低壓軸流風(fēng)機(jī)前后連接不同管道對性能

42、的影響。由于他們研究的風(fēng)機(jī)都有一段平直管道，可對不同連接管道直接測試性能，這樣就可分別直接建模，也就保證了建模和實測吻合，數(shù)值模擬和實測性能符合很好。為了討論在原有的風(fēng)機(jī)上，葉輪進(jìn)出口分別多接或不接一段管道對風(fēng)機(jī)性能的影響，分別建模進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)原風(fēng)機(jī)建模與葉輪前后都加一段連接管道的風(fēng)機(jī)建模有最大的性能差別，后者比前者的靜壓和靜壓效率分別高達(dá)30Pa和5.5%，這是低壓軸流風(fēng)機(jī)性能數(shù)值建模應(yīng)和實際測試情況相吻合的另一個實例。（2）網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成好壞，直接影響計算精度，計算時間和收斂性。所以網(wǎng)格生成后需要檢查，才能使用，如有的商用軟件要求單元體不能有大的畸變率，并限制畸變率超過0.97的單

43、元體數(shù)目，否則就需重新生成。學(xué)者李嵩22舉例說明了網(wǎng)格生成時應(yīng)注意的一些其它問題，例子是一個葉輪直徑為0.8m的離心風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為960rpm，流量系數(shù)0.15，全壓系數(shù)為0.65，空氣溫度為20。圖11是不考慮葉輪間隙的整機(jī)網(wǎng)格，圖12是考慮葉輪和進(jìn)風(fēng)口徑向間隙為2.5mm時，葉輪和進(jìn)風(fēng)口的連接部分的網(wǎng)格。初步生成的網(wǎng)格，首先要符合畸變率的要求、合理的加密網(wǎng)格，滿足的取值范圍并有足夠多圖11 不考慮葉輪間隙的整機(jī)網(wǎng)格圖12 考慮葉輪間隙時葉輪和進(jìn)風(fēng)口連接部分的網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)等，并要求計算收斂、結(jié)果合理，達(dá)到這些要求后，還必須經(jīng)過網(wǎng)格試驗，因為這是差分方程的解，它和原來的微分方程解是有誤差的，其誤

44、差大小，肯定和網(wǎng)格生成有關(guān)，網(wǎng)格越細(xì)誤差越小，所以需要進(jìn)一步加密網(wǎng)格，生成細(xì)網(wǎng)格和更細(xì)網(wǎng)格，并進(jìn)行計算，看這些不同網(wǎng)格的結(jié)果差別，來判斷網(wǎng)格誤差有多大，如表2所示。由此看到，細(xì)網(wǎng)格和正常網(wǎng)格比，全壓大5Pa，相對誤差為0.4%，效率小0.23%，相對誤差為-0.3%，更細(xì)網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格比，全壓大2Pa，相對誤差為0.2%，效率小0.15%，相對誤差為-0.2%，這樣就可得到誤差估計的結(jié)論，如采用正常網(wǎng)格計算，其風(fēng)機(jī)性能誤差在0.4%左右，如采用細(xì)網(wǎng)格時誤差是0.2%。所以一般情況，采用正常網(wǎng)格就可以了，這里應(yīng)該指出，數(shù)值模擬必須要有網(wǎng)格試驗數(shù)據(jù)，否則它的計算誤差本身是不確定的。表2 不同網(wǎng)格的數(shù)

45、值模擬結(jié)果網(wǎng)格類型葉輪網(wǎng)格數(shù)總網(wǎng)格數(shù)軸功率 Kw風(fēng)機(jī)全壓 Pa全壓效率 %正常網(wǎng)格124,844256,9164.58128385.59細(xì)網(wǎng)格582,792795,2964.61128885.37更細(xì)網(wǎng)格1,107,6151,4077,214.63129185.22（3）邊界條件文獻(xiàn)調(diào)研22發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)性能數(shù)值模擬的進(jìn)出口邊界條件種類很多，差別較大，特別是低壓軸流風(fēng)機(jī)，這里講的邊界條件是直接影響計算結(jié)果的物理邊界條件，也就是進(jìn)出口速度或壓力的各一個條件。根據(jù)物理分析可知，低壓軸流風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口邊界條件應(yīng)該進(jìn)口為總壓是大氣壓力，出口是靜壓為大氣壓力，而風(fēng)量應(yīng)該是由數(shù)值計算得到的，不能預(yù)先給定。需要說

46、明的是速度進(jìn)口和質(zhì)量流量進(jìn)口條件是相同的，一般在Fluent等商用軟件中，均在進(jìn)口給定均勻、垂直于進(jìn)口表面的速度分布。顯然，如果采用壓力進(jìn)口條件得到的進(jìn)口速度分布不會是這樣的，除非進(jìn)口為一個直徑很大的球面，實際計算多采用有限直徑的半球面，且其直徑平面又常設(shè)置為壁面，因而這種用速度進(jìn)口條件代替壓力進(jìn)口的性能預(yù)估結(jié)果會有較大區(qū)別，但由于用進(jìn)口速度條件計算快，容易收斂，所以人們喜歡應(yīng)用。至于出口采用自由出流條件，如果計算域的出口有一段很長的管道，則和壓力出口預(yù)估結(jié)果差別不大，否則也會有較大差別，需要注意。表3 不同進(jìn)口條件的軸流風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬（壓力Pa，效率%，）（Q=36000 M3/h，n=145

47、0 rpm，風(fēng)機(jī)出口計算軸向動壓152.3Pa）1-質(zhì)量流量進(jìn)口、自由出流；2-壓力進(jìn)出口風(fēng)機(jī)進(jìn)口總壓風(fēng)機(jī)出口靜壓風(fēng)機(jī)出口總壓風(fēng)機(jī)全壓全壓效率葉輪效率風(fēng)機(jī)靜壓靜壓效率1-22.7196352378.657.079.9226.334.12-64.9170.7326.7391.659.880,3239.3 36.7下面仍以圖10建模實例方案1為例，來說明速度進(jìn)口和壓力進(jìn)口設(shè)置的邊界條件的性能預(yù)估的定量差別，性能預(yù)估結(jié)果如上面表3所示，表中1表示為質(zhì)量風(fēng)量進(jìn)口和自由出流出口；2表示為壓力進(jìn)口和壓力出口?？梢钥闯龆邔︼L(fēng)機(jī)性能預(yù)估有較大差別，壓力進(jìn)口比速度進(jìn)口的全壓和靜壓均提高13Pa，全壓和靜壓效率

48、分別提高2.8%和2.6%。所以必須注意用壓力進(jìn)出口的邊界條件設(shè)置，因為它是符合物理意義的。順便指出：如需要計算規(guī)定風(fēng)量條件下的風(fēng)機(jī)性能，則用壓力進(jìn)出口條件計算時，風(fēng)量是需要打靶，在Fluent軟件中，可以在出口條件設(shè)置時，再勾選目標(biāo)質(zhì)量風(fēng)量，例如本文為12Kg/s，即36000m3/h，計算時它就自動滿足打靶要求。（4）收斂判據(jù)22數(shù)值模擬的收斂判據(jù)就是如何給定計算結(jié)束條件，它影響計算結(jié)果及其精度，關(guān)于風(fēng)機(jī)性能數(shù)值模擬一般都用計算殘差小于某值作為唯一的結(jié)束條件。對于性能不太好的風(fēng)機(jī)的設(shè)計工況和風(fēng)機(jī)的非設(shè)計工況，流場中總有一些較大的旋渦，會使連續(xù)方程和湍能耗散率方程的殘差不僅大而且波動也大，也

49、使計算結(jié)果中主要原始數(shù)據(jù)軸功率系數(shù)和全壓值也發(fā)生波動，這時只用殘差作為判據(jù)對性能預(yù)估結(jié)果的影響較大，通過我們長期的計算經(jīng)驗和實測數(shù)據(jù)的考核，認(rèn)為對于不同情況應(yīng)有不同的收斂判據(jù)：對于性能良好的風(fēng)機(jī)的設(shè)計工況，計算的時間步數(shù)為40005000時，要求全部6個方程的殘差均小于10-4(對于性能優(yōu)秀的風(fēng)機(jī)小于3000步時，就能達(dá)到10-8以下)，再算500步時，要求監(jiān)測的全壓和軸功率系數(shù)幾乎保持不變，其波動在小于0.1%0.2%。對于性能不太好的風(fēng)機(jī)的設(shè)計工況和性能良好風(fēng)機(jī)的非設(shè)計工況，計算的時間步數(shù)為40005000以上時，要求連續(xù)方程和湍能耗散率方程的殘差小于10-3，其余4個方程的殘差均小于10

50、-4，再算500步時，波動在小于1%3%。如不滿足，則應(yīng)減小松弛因子繼續(xù)計算。四、研究的內(nèi)容及其方法和技術(shù)路線本課題針對新T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)的開發(fā)，采用上述提出的設(shè)計要素，利用已經(jīng)開發(fā)的軸流風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計程序，結(jié)合整機(jī)數(shù)值模擬和性能優(yōu)化，將得出性能明顯改進(jìn)的新T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)（安裝角為35°），主要研究工作如下：1 對現(xiàn)有的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬與實測性能數(shù)據(jù)比較。2 用已有的氣動設(shè)計程序和數(shù)值成型方法，來近似模擬現(xiàn)有的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)的葉片各截面型線和葉弦的幾何角，并進(jìn)行性能預(yù)估，希望模擬的結(jié)果能接近現(xiàn)有T-35和T-40風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，并

51、適當(dāng)調(diào)整軸流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，希望能得到更好性能的風(fēng)機(jī)作為T-35和T-40的設(shè)計雛形。3 優(yōu)化軸流風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，其中主要是輪轂比和流型的合適匹配，葉片數(shù)優(yōu)化，葉弦和圓弧比的確定等，進(jìn)行氣動設(shè)計和性能數(shù)值優(yōu)化，從而得到性能良好的新T-35和T-40初步樣機(jī)。4 在此基礎(chǔ)上，采用非徑向堆積技術(shù)，進(jìn)行葉片的前掠和前傾的數(shù)值優(yōu)化，得到性能進(jìn)一步改善的風(fēng)機(jī)樣機(jī)。5 提供第一次樣機(jī)氣動力圖紙，由有關(guān)公司制作和試驗。6 如性能不合格，再繼續(xù)上述2-5項工作，直到達(dá)到公司要求的性能提高3%以上的產(chǎn)品。7 分析和總結(jié)上述課題工作，完成論文工作。五、已完成的論文工作已經(jīng)對現(xiàn)有的T-35軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了建模，劃分網(wǎng)格和

52、邊界設(shè)置，并且對其進(jìn)行了fluent模擬計算，得出了安裝角為35°和25°時的T-35軸流風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)，經(jīng)過與實測結(jié)果對比證明計算結(jié)果可信。另外，我所在的課題組已對原有的氣動設(shè)計程序進(jìn)行了修改，目前的程序可用于T-35開發(fā)，并正擴(kuò)大用于葉片前掠和前傾設(shè)計，課題組比較豐富的風(fēng)機(jī)現(xiàn)代氣動設(shè)計經(jīng)驗為我完成本論文工作打下了良好基礎(chǔ)。六、預(yù)期研究結(jié)果1 參與課題組完成軸流風(fēng)機(jī)葉片前掠和前傾的氣動設(shè)計方法和相應(yīng)的程序；2 分析和總結(jié)軸流風(fēng)機(jī)主要設(shè)計要素對軸流風(fēng)機(jī)性能的影響，并發(fā)表論文；3 將以上成果用于并開發(fā)出新T-35和T-40風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。七、課題難點現(xiàn)有的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)是

53、過去風(fēng)機(jī)行業(yè)集體開發(fā)的性能比較好的軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，是現(xiàn)在市場上流行產(chǎn)品。由于我課題組對軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行的現(xiàn)代氣動設(shè)計方法及前掠和前傾技術(shù)都缺乏經(jīng)驗，而且這些又是屬于新內(nèi)容，這樣將現(xiàn)有的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)的效率提高2-3%是非常不容易的，這也是本課題的最大難點。八、課題進(jìn)度和計劃1 2012年7月對現(xiàn)有的T-35和T-40軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，考核了得到的實測性能數(shù)據(jù)并完成風(fēng)機(jī)設(shè)計雛形；2 2012年9月完成了新T-35和T-40的初步樣機(jī)（不考慮非徑向堆積技術(shù)）；3 2012年11月完成了第一次風(fēng)機(jī)樣機(jī)（考慮非徑向堆積技術(shù)），并提供氣動力圖紙，由有關(guān)公司制作和試驗；4 2012年12月完成

54、了第二次和第三次樣機(jī)設(shè)計和試驗，并且繼續(xù)設(shè)計和實驗直到達(dá)到性能要求的新T-35和T40風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。5 2013年4月準(zhǔn)備進(jìn)行大、小論文的工作。參考文獻(xiàn)：1劉玉成.中低壓軸流通風(fēng)機(jī)的最優(yōu)流型氣動設(shè)計方法.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院.2006年2月2曾庭衛(wèi).軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計研究及CAD軟件開發(fā).機(jī)械與能源工程學(xué)院.2006年1月3楊詩成.軸流風(fēng)機(jī).上海電力學(xué)院.1995年11月第1版4朱之墀,黃東濤,邊曉東等.離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計方法研究.中國機(jī)械工程,1998,9(8):54565王岳.礦用局部軸流通風(fēng)機(jī)氣動優(yōu)化設(shè)計.撫順石油學(xué)院學(xué)報.1996,12（2）：31-356王學(xué)軍，聶能光.軸流通風(fēng)機(jī)葉柵葉型的優(yōu)

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