高修磊/沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所

王英鋒杜海浪/南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

基于葉片排特性的軸流風(fēng)機(jī)一維設(shè)計(jì)

高修磊/沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所

王英鋒杜海浪/南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

軸流風(fēng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)設(shè)計(jì)和擇優(yōu)的過(guò)程，尋求一種能快速有效的進(jìn)行風(fēng)機(jī)修改并擁有可信的計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)算方法就顯的十分重要。根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段的CFD驗(yàn)證結(jié)果和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)出口設(shè)計(jì)要求，基于葉片排特性進(jìn)行風(fēng)機(jī)的一維性能計(jì)算與設(shè)計(jì)形成了風(fēng)機(jī)的一維設(shè)計(jì)方法。通過(guò)工程實(shí)際中風(fēng)機(jī)的計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性與可靠性，證明了該一維設(shè)計(jì)方法具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

軸流風(fēng)機(jī)；葉片排特性；流場(chǎng)分析；一維設(shè)計(jì)

1 概述

一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，伴隨著氣動(dòng)熱力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)在不斷進(jìn)步，帶動(dòng)著風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)水平的不斷提高?，F(xiàn)階段風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：一維草案設(shè)計(jì)、S2流面氣動(dòng)設(shè)計(jì)、S1流面氣動(dòng)設(shè)計(jì)與葉片造型、S2流面氣動(dòng)驗(yàn)算和三維CFD氣動(dòng)驗(yàn)算[1-2]。

圖1 多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖

由圖1我們可以清楚地看到在現(xiàn)階段的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流程中，三維的CFD氣動(dòng)驗(yàn)算已經(jīng)成為了不可或缺的一部分，并且在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前，已經(jīng)把CFD計(jì)算的結(jié)果作為較為可信的計(jì)算結(jié)果。但是，眾所周知風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)需要反復(fù)修改和驗(yàn)證的過(guò)程，而工程應(yīng)用上又對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)周期和性能有著嚴(yán)格的要求。對(duì)于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的反復(fù)修改設(shè)計(jì)工作不僅比較繁瑣，而且在參數(shù)修改方面完全依靠自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，具有不可預(yù)測(cè)性。因此，尋求一種能快速有效的進(jìn)行風(fēng)機(jī)修改并擁有可信的計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)算方法就成為了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)者們一項(xiàng)十分必要的工作。

這里研究一種基于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的CFD驗(yàn)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能估算和快速修改設(shè)計(jì)的一維風(fēng)機(jī)性能計(jì)算方法，利用本方法可以快速進(jìn)行風(fēng)機(jī)的性能估算和修改設(shè)計(jì)參數(shù)，并能得到良好的計(jì)算結(jié)果。

2 風(fēng)機(jī)一維性能計(jì)算方法

此計(jì)算方法是基于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的CFD驗(yàn)證結(jié)果來(lái)進(jìn)行工作的。首先，我們可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的CFD計(jì)算結(jié)果得到如下參數(shù)：各葉排特性參數(shù)——葉排進(jìn)出口幾何參數(shù)（輪轂半徑和機(jī)匣半徑）、各靜子葉排總壓恢復(fù)系數(shù)、各轉(zhuǎn)子葉排等熵效率、各葉排出口氣流角。這里需要說(shuō)明的是葉排特性參數(shù)是在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段通過(guò)CFD驗(yàn)證所得，這時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)損失、葉片厚度的影響和其他一些影響因素均在各靜子葉排總壓恢復(fù)系數(shù)、各轉(zhuǎn)子葉排等熵效率、各葉排出口氣流角等參數(shù)中予以反映[3]。

有了上面介紹的葉排參數(shù)再加上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)出口的邊界條件，主要包括進(jìn)氣條件（總溫、總壓、默認(rèn)軸向進(jìn)氣）、出口靜壓，我們就可以進(jìn)行風(fēng)機(jī)的一維性能估算。另外為了使計(jì)算能夠啟動(dòng)，需要給定預(yù)估流量作為初始條件。

在上述的約束條件和已知給定條件下，建立風(fēng)機(jī)的性能計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 葉片排性能計(jì)算模型圖

將風(fēng)機(jī)的性能計(jì)算分解為葉片排性能計(jì)算的疊加，只需要分別計(jì)算每排葉柵的性能，然后按照一定的方式疊加。由于風(fēng)機(jī)葉排分為動(dòng)葉柵和靜葉柵，而動(dòng)葉柵和靜葉柵的工作原理有一定的差距，所以葉片排性能的計(jì)算要分情況而定。具體而言，計(jì)算主要采用以下控制方程。

葉柵前后氣體的連續(xù)方程：

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果可以得到葉片排的參數(shù)，通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算即可得到靜葉排葉柵的性能參數(shù)。但是由于動(dòng)葉排對(duì)氣體做功，所以需要加入做功量之后再進(jìn)行迭代計(jì)算。

通過(guò)上式的加入即在葉柵性能計(jì)算時(shí)加入了動(dòng)葉排做功的影響。通過(guò)兩式的反復(fù)迭代和各參數(shù)的具體計(jì)算即可疊加得到風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能表現(xiàn)，完成風(fēng)機(jī)一維的性能預(yù)估。在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中不可或缺的要完成其他參數(shù)的計(jì)算。

靜溫：

靜壓：

氣流速度：

在轉(zhuǎn)子葉片中要求的是相對(duì)速度：

由于計(jì)算方法中是采用平均半徑處的參數(shù)作為平均參數(shù)來(lái)計(jì)算的，所以這里要求出平均半徑和平均半徑處的輪緣速度：

另外，在轉(zhuǎn)子葉排計(jì)算中還要根據(jù)轉(zhuǎn)子葉排效率的計(jì)算來(lái)判斷迭代是否收斂。

如上文所述，式（8）中的轉(zhuǎn)子效率為已知量，主要用于判斷迭代是否收斂。由以上方程再加上一些基本參數(shù)的計(jì)算，我們就能分別對(duì)轉(zhuǎn)子葉排和靜子葉排性能進(jìn)行計(jì)算，最終得到風(fēng)機(jī)的整機(jī)性能。

3 某型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流場(chǎng)分析及一維估算

在某型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)，得到風(fēng)機(jī)初始設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)初始設(shè)計(jì)方案圖

圖4 沿流程各截面總壓、總溫和平均軸向速度分布圖

此型風(fēng)機(jī)為大流量亞音速多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，其葉型均采用NACA-65葉型，經(jīng)過(guò)初始設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，驗(yàn)證后得到其流量稍大。在以往的工程應(yīng)用中風(fēng)機(jī)的流量較大的問(wèn)題，其解決方案一般是在風(fēng)機(jī)出口加入分流管道，以把多余的氣體流量排出。隨著工程中要求能源利用效率和工業(yè)效益的提高，這里就需要我們對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，并提高效益[4-5]。

在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段完成了對(duì)風(fēng)機(jī)的三維CFD的驗(yàn)證計(jì)算。同時(shí)，這里我們根據(jù)CFD的計(jì)算結(jié)果利用上述方法對(duì)風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行了估算，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 一維計(jì)算結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

如表1所示，表中上面為三維CFD計(jì)算結(jié)果，下面為一維計(jì)算結(jié)果，將兩種計(jì)算方法所得的結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn)，只有流量的估算誤差稍大，其他結(jié)果均能符合我們的計(jì)算要求。另外，如圖4所示為兩種計(jì)算所得到的截面參數(shù)，從圖4可以看到在兩種設(shè)計(jì)開(kāi)度時(shí)，總溫和總壓的計(jì)算結(jié)果均能較好的相互符合。而軸向速度項(xiàng)由于一維估算方法得到的計(jì)算結(jié)果平均半徑處的結(jié)果，故這里得到的結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果的平均值基本一致。由此得到這里所發(fā)展的一維風(fēng)機(jī)性能計(jì)算方法能較好預(yù)估風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)。

另外，由圖4可得風(fēng)機(jī)的初始設(shè)計(jì)軸向速度沿流程平均軸向速度的分布情況。在一定的氣流條件下，風(fēng)機(jī)流量的大小取決于氣流速度和流通面積兩個(gè)方面的因素。由于原設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題是壓比滿足工程要求而流量偏大，而在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行中風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣流速度在一般情況下取決于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速不變的情況下至于要解決流量偏大的問(wèn)題主要要考慮以下兩點(diǎn)：首先，一般情況下在工程實(shí)際中，風(fēng)機(jī)的流量調(diào)節(jié)是靠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的靜葉開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的，這就要求我們首先要考慮原設(shè)計(jì)中風(fēng)機(jī)的靜葉開(kāi)度設(shè)計(jì)或者說(shuō)是靜葉開(kāi)度調(diào)節(jié)規(guī)律存在著一定的問(wèn)題。其次，風(fēng)機(jī)的流量大小在一定的氣流速度下和風(fēng)機(jī)的有效通流面積存在著緊密的直接關(guān)系，這里我們可以考慮通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的外機(jī)匣半徑的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的有效通流面積進(jìn)而對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改型優(yōu)化設(shè)計(jì)并解決原設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題。

4 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)一維修改及結(jié)果分析[6]

4.1 安裝角設(shè)計(jì)修改

首先這里針對(duì)79°靜葉開(kāi)度時(shí)軸向速度暴露出來(lái)的前面級(jí)軸向速度過(guò)大的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的修改和一維預(yù)估。表2為對(duì)第一級(jí)靜葉片安裝角進(jìn)行優(yōu)化修改時(shí)一維估算結(jié)果。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)一維計(jì)算結(jié)果表

通過(guò)一維計(jì)算程序我們發(fā)現(xiàn)，改變第一級(jí)靜葉片的安裝角可以達(dá)到我們所期望的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果，這里我們對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了CFD計(jì)算來(lái)驗(yàn)算一維計(jì)算程序作出的修改方案。表3為按照修改方案進(jìn)行優(yōu)化后兩種計(jì)算方法的結(jié)果。

表3 首級(jí)安裝角優(yōu)化后兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

圖5 S1優(yōu)化前后軸向速度、總壓和總溫的CFD結(jié)果對(duì)比圖

由表3及圖5可以看到風(fēng)機(jī)在經(jīng)過(guò)修改設(shè)計(jì)后能達(dá)到我們的預(yù)期要求。這里所做的設(shè)計(jì)修改主要是通過(guò)降低風(fēng)機(jī)內(nèi)氣流的軸向速度來(lái)實(shí)現(xiàn)降低流量的目的，而風(fēng)機(jī)出口的總溫和總壓并沒(méi)有改變。這也就證明了利用本文的一維風(fēng)機(jī)性能估算方法可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的CFD驗(yàn)算結(jié)果迅速對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)所存在的問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的修改，從而大大的提高了風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的速度和一次設(shè)計(jì)成功率。

4.2 外機(jī)匣優(yōu)化設(shè)計(jì)

這里再根據(jù)一維估算方法做一個(gè)對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)匣半徑的設(shè)計(jì)修改以進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性和方法的正確性。和S1安裝角的修改一樣，這里首先使用一維預(yù)估方法對(duì)初始設(shè)計(jì)的機(jī)匣半徑進(jìn)行了參數(shù)的修改，得到了機(jī)匣半徑需要修改的具體數(shù)量。然后根據(jù)得到的修改方案對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，并重新進(jìn)行了CFD的驗(yàn)算。表4為設(shè)計(jì)參數(shù)修改后兩種計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

表4 機(jī)匣參數(shù)修改后兩種計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由表4可知，根據(jù)兩種方法的計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的外機(jī)匣可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，并且優(yōu)化之后的風(fēng)機(jī)在進(jìn)行CFD驗(yàn)算也得到了預(yù)期的結(jié)果并且和一維估算結(jié)果符合良好。由圖6可得根據(jù)一維估算結(jié)果對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行修改之后，風(fēng)機(jī)的其他性能參數(shù)幾乎沒(méi)有變化，并且流量參數(shù)滿足了設(shè)計(jì)要求。這更證明了，修改方案較好地保持了風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)的性能表現(xiàn)，并改善了不符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)，使其達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 外機(jī)匣半徑優(yōu)化前后軸向速度、總壓和總溫對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文發(fā)展了一種基于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段CFD驗(yàn)證的一維風(fēng)機(jī)性能估算方法，用于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段的性能估算，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過(guò)本方法的應(yīng)用可以節(jié)省大量風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)修改的工作量，并且能夠迅速完成設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)不僅可以節(jié)省設(shè)計(jì)工作時(shí)間，還能較少的依賴(lài)于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，幫助缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員較好地完成風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作。

由于此計(jì)算方法主要是基于平均半徑處進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能計(jì)算的，所以計(jì)算結(jié)果可能還會(huì)與CFD結(jié)果存在些許誤差，但是其精確度還是值得肯定的。所以此風(fēng)機(jī)一維性能估算方法具有較高的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用價(jià)值。

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[4]昌澤舟，羅皓，郭麗娜，等.CFD軟件在通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009（2）：60-64.

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[6]胡駿，吳鐵鷹，曹人靖.航空葉片機(jī)原理[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

One-dimensionalDesign of Axial Flow Fan Based on Blade Rows Characteristics

Gao Xiulei/Shenyang Engme Design Institute
Wang Yingfeng,Du Hailang/School of Energy and Power Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics

The engineering design of axial flow is a repeatedly design and preferred process.Therefore,a method that can rapidly and effectively modify fan and obtain reliable calculation results will be significant important.According to CFD verified results in fan design stage and the design requirements on inlet and outlet of fan,one-dimensional performance calculation and design is carried out based on blades row characteristics and the one-dimensional design method for fans is formed.The method is practical and reliable which is verified by the calculation and optimization in practical engineering. It has proved that the one-dimensional design method has very important engineeringapplication values.

axial flow fan;blades row characteristics;flow field analysis; one-dimensionaldesign

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）04-0059-05

10.16492/j.fjjs.2015.04.044

2014-12-10遼寧沈陽(yáng)110015