前緣彎掠子午加速葉輪及其不同流道配置的研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及日益苛刻的能源與環(huán)境的要求，對(duì)葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)提出了更寬工況、更高效率等越來越高的性能要求。合理運(yùn)用葉片彎掠設(shè)計(jì)能夠改變流體機(jī)械流道內(nèi)的壓力梯度分布、抑制二次流發(fā)展和端壁低能流體的聚集，從而改善其內(nèi)流結(jié)構(gòu)并達(dá)到提高氣動(dòng)性能的目的。 本文在已有常規(guī)準(zhǔn)三元葉輪設(shè)計(jì)和內(nèi)流研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用“彎掠葉片動(dòng)力學(xué)”理論，提出和構(gòu)造了一種常規(guī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與CFD三維流場(chǎng)計(jì)算相結(jié)合的葉片設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出能有效抑制端壁邊

2、界層分離的前緣動(dòng)力學(xué)彎掠新葉片，研制了一種高負(fù)荷前緣彎掠子午加速風(fēng)機(jī)，同時(shí)對(duì)該前緣彎掠轉(zhuǎn)子內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，探索前緣彎掠設(shè)計(jì)對(duì)提高風(fēng)機(jī)/壓氣機(jī)失速裕度的有效途徑和內(nèi)流機(jī)制。通過新葉片的前緣彎掠子午加速葉輪與常規(guī)葉輪的外特性與內(nèi)流特性比較，驗(yàn)證前緣彎掠新葉片設(shè)計(jì)方法的可靠性，理論上分析和把握前緣彎掠減少并抑制端壁邊界層分離的流動(dòng)機(jī)制。 文中所提出的前緣彎掠葉輪準(zhǔn)三元復(fù)合設(shè)計(jì)方法，包括了基于假想等價(jià)速度三角形理論和1

3、/7邊界層法則的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。一次設(shè)計(jì)部分是基于NACA葉柵試驗(yàn)資料和Schlichting奇點(diǎn)法修正對(duì)基準(zhǔn)葉輪進(jìn)行準(zhǔn)三元設(shè)計(jì)和三元效果修正。二次設(shè)計(jì)部分是基于環(huán)壁邊界層模型和1/7邊界層法則的葉片前緣彎掠造型設(shè)計(jì)。它由給出的邊界層速度分布，計(jì)算確定葉型端彎量和前掠量，并用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)葉片曲面進(jìn)行重構(gòu)，應(yīng)用有理Bezier方法對(duì)葉片的進(jìn)行光滑變形。編寫和修改了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算程序及接口程序，集成了前緣彎掠子午加速風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的CAD/CFD

4、耦合設(shè)計(jì)系統(tǒng)FIDS2004，并成功研制了一臺(tái)前緣彎掠子午加速葉輪。該葉輪具有以下主要特點(diǎn)：葉片葉根葉頂前緣前掠；在葉頂處葉片前緣在向前掠的基礎(chǔ)上前彎；尾緣葉頂少量前掠，尾緣葉根進(jìn)行了彎扭；出口尾緣中弧線方向與常規(guī)葉型相同，即葉輪出口氣流角不變。 本文創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)了將徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于前緣彎掠轉(zhuǎn)子葉片曲面重構(gòu)。通過對(duì)三維葉片曲面形狀的擬合結(jié)果分析，表明了徑向基網(wǎng)絡(luò)由于其具有收斂速度快、能夠得到全局最優(yōu)解等優(yōu)越性，應(yīng)用其重構(gòu)三

5、維葉片曲面可以有較高的重構(gòu)效率和精度。該方法為解決三維葉片曲面重構(gòu)提供了一個(gè)新途徑。文中在葉片葉型變形設(shè)計(jì)中使用有理Bezier方法，通過合理設(shè)置有理Bezier方法中的權(quán)因子和葉型的控制點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)葉面光滑變形的同時(shí)，保證了中弧線、厚度特征等氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)特征。 作者自行研制了全自動(dòng)、高精度的風(fēng)機(jī)風(fēng)量試驗(yàn)臺(tái)，提出且編程實(shí)現(xiàn)了適合于風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)研究專家模糊PID控制系統(tǒng)。采用該控制系統(tǒng)的風(fēng)量臺(tái)相對(duì)常規(guī)性能試驗(yàn)臺(tái)縮短近30﹪的試驗(yàn)時(shí)間

6、。將性能測(cè)試系統(tǒng)和激光DPIV速度測(cè)量系統(tǒng)有機(jī)連接起來，構(gòu)成內(nèi)流測(cè)試系統(tǒng)。進(jìn)行了性能試驗(yàn)和內(nèi)流測(cè)試工作，捕獲了葉尖渦流動(dòng)現(xiàn)象，為開式前緣彎掠子午加速葉輪內(nèi)流分析提供內(nèi)流試驗(yàn)數(shù)據(jù)。DPIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果相比，兩者吻合較好，表明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算的一致性。 本文使用商用Fluent軟件，在設(shè)計(jì)工況和小流量高負(fù)荷工況下，對(duì)前緣彎掠子午加速葉輪內(nèi)流進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)與基準(zhǔn)葉輪相比較，揭示了前緣彎掠葉輪內(nèi)的流動(dòng)機(jī)制：前緣彎掠葉

7、輪消除了基準(zhǔn)葉輪前緣存在的回流，將端壁區(qū)域的低能流體吸收到葉片中部高能主流中，減弱了端部低能流體的聚集，從而減弱了流動(dòng)損失和流動(dòng)阻塞。計(jì)算結(jié)果表明，前緣彎掠葉輪的葉片尾跡比基準(zhǔn)葉輪弱，機(jī)殼和輪轂端壁對(duì)葉道內(nèi)流動(dòng)的影響減弱，抑制了低能流體的堆積，擴(kuò)大了運(yùn)行工況范圍，證明前緣彎掠改善了基準(zhǔn)葉輪內(nèi)流及前緣彎掠葉輪設(shè)計(jì)的有效性。 數(shù)值模擬與分析了后導(dǎo)葉、蝸殼等靜止通流部件內(nèi)流狀況，發(fā)現(xiàn)采用彎掠葉片的后導(dǎo)葉在有利的“C”型壓力分布下，端壁