前缘弯掠子午加速叶轮及其不同流道配置的研究

摘要

随着国民经济的发展以及日益苛刻的能源与环境的要求，对叶轮机械的设计提出了更宽工况、更高效率等越来越高的性能要求。合理运用叶片弯掠设计能够改变流体机械流道内的压力梯度分布、抑制二次流发展和端壁低能流体的聚集，从而改善其内流结构并达到提高气动性能的目的。 本文在已有常规准三元叶轮设计和内流研究的基础上，运用“弯掠叶片动力学”理论，提出和构造了一种常规设计系统与CFD三维流场计算相结合的叶片设计新系统。利用该系统设计出能有效抑制端壁边界层分离的前缘动力学弯掠新叶片，研制了一种高负荷前缘弯掠子午加速风机，同时对该前缘弯掠转子内的流动进行了数值分析和实验研究，探索前缘弯掠设计对提高风机/压气机失速裕度的有效途径和内流机制。通过新叶片的前缘弯掠子午加速叶轮与常规叶轮的外特性与内流特性比较，验证前缘弯掠新叶片设计方法的可靠性，理论上分析和把握前缘弯掠减少并抑制端壁边界层分离的流动机制。 文中所提出的前缘弯掠叶轮准三元复合设计方法，包括了基于假想等价速度三角形理论和1/7边界层法则的应用和实现。一次设计部分是基于NACA叶栅试验资料和Schlichting奇点法修正对基准叶轮进行准三元设计和三元效果修正。二次设计部分是基于环壁边界层模型和1/7边界层法则的叶片前缘弯掠造型设计。它由给出的边界层速度分布，计算确定叶型端弯量和前掠量，并用径向基函数网络对叶片曲面进行重构，应用有理Bezier方法对叶片的进行光滑变形。编写和修改了相应的设计计算程序及接口程序，集成了前缘弯掠子午加速风机设计的CAD/CFD耦合设计系统FIDS2004，并成功研制了一台前缘弯掠子午加速叶轮。该叶轮具有以下主要特点：叶片叶根叶顶前缘前掠；在叶顶处叶片前缘在向前掠的基础上前弯；尾缘叶顶少量前掠，尾缘叶根进行了弯扭；出口尾缘中弧线方向与常规叶型相同，即叶轮出口气流角不变。 本文创新性实现了将径向基函数神经网络应用于前缘弯掠转子叶片曲面重构。通过对三维叶片曲面形状的拟合结果分析，表明了径向基网络由于其具有收敛速度快、能够得到全局最优解等优越性，应用其重构三维叶片曲面可以有较高的重构效率和精度。该方法为解决三维叶片曲面重构提供了一个新途径。文中在叶片叶型变形设计中使用有理Bezier方法，通过合理设置有理Bezier方法中的权因子和叶型的控制点，在实现叶面光滑变形的同时，保证了中弧线、厚度特征等气动外形设计特征。 作者自行研制了全自动、高精度的风机风量试验台，提出且编程实现了适合于风机性能试验研究专家模糊PID控制系统。采用该控制系统的风量台相对常规性能试验台缩短近30﹪的试验时间。将性能测试系统和激光DPIV速度测量系统有机连接起来，构成内流测试系统。进行了性能试验和内流测试工作，捕获了叶尖涡流动现象，为开式前缘弯掠子午加速叶轮内流分析提供内流试验数据。DPIV实验结果与CFD计算结果相比，两者吻合较好，表明了实验结果和数值计算的一致性。 本文使用商用Fluent软件，在设计工况和小流量高负荷工况下，对前缘弯掠子午加速叶轮内流进行数值模拟，同时与基准叶轮相比较，揭示了前缘弯掠叶轮内的流动机制：前缘弯掠叶轮消除了基准叶轮前缘存在的回流，将端壁区域的低能流体吸收到叶片中部高能主流中，减弱了端部低能流体的聚集，从而减弱了流动损失和流动阻塞。计算结果表明，前缘弯掠叶轮的叶片尾迹比基准叶轮弱，机壳和轮毂端壁对叶道内流动的影响减弱，抑制了低能流体的堆积，扩大了运行工况范围，证明前缘弯掠改善了基准叶轮内流及前缘弯掠叶轮设计的有效性。 数值模拟与分析了后导叶、蜗壳等静止通流部件内流状况，发现采用弯掠叶片的后导叶在有利的“C”型压力分布下，端壁的低能流体被主流携带往下游的过程中存在的二次流特征。轴向螺旋形蜗壳对减少风道出口转向流动损失是一种新的设计尝试。 本文受到国家自然科学基金项目(No.50176012)和教育部博士点基金项目(No.20020487025)的资助。