張雁興 潘玉華 李寶寬

（1.遼寧科技大學；2.東北大學）

0 引言

流體透平主要應用于石油化工、鋼鐵冶煉、煤化工、海水淡化等許多流程工業(yè)中，是回收流體壓力余能的裝置[1]。葉輪機械內(nèi)部流動本質上是復雜的三維粘性非定常流動。渦輪內(nèi)流動可能涉及到流態(tài)的轉變、層流分離及顯著的徑向二次流動，其內(nèi)部流動更為復雜[2]。針對旋轉機械轉子葉片角對機械性能的影響，前人做過很多研究，包括泵、壓縮機、風機與風扇、攪拌裝置和渦輪等，但對膨脹機前緣葉片角的研究很少。

Yang T等[3]研究了葉輪葉片角度對水平攪拌器中功率消耗和流態(tài)的影響。Zhang L等[4]研究了單一異常葉片角度對軸流風扇旋轉失速的影響。張始齋等[5]研究了葉片安裝角對軸流式通風機內(nèi)部流場及性能的影響，隨著葉片安裝角的增大，風機效率呈現(xiàn)增加趨勢。幸欣等[6]研究了通風機葉片角對其性能的影響，調整葉片角會改變負載。變化后級葉片角，前級流動基本不受影響；改變前級葉片角，后級軸功率也會隨之變化。程德磊等[7]研究了前級葉片角對旋軸流風機的性能影響，適當調小風機的前級葉片角可以提高風機的效率；張龍新等[8]對對旋風機氣動噪聲的影響研究結果表明：通過適當?shù)卦黾尤~片角能夠有效削弱轉子前緣的壓力脈動，降低風機的氣動噪聲。Leonard T等[9]研究了混流渦輪機的進口角影響，大的進口葉片角導致輪轂附近強烈的分離和流動堵塞，這會大大降低效率。華國忠等[10]研究了葉片角偏差對渦輪通道內(nèi)熱斑遷移的作用。陳慶光等[11]的研究結果表明：隨著動葉安角度的增大，兩級葉輪對氣體的做功能力增強、軸功率增加，后級葉輪增加的幅度大于前級葉輪；當動葉葉片角增大時，葉片壓力面的靜壓和吸力面的壓力梯度都明顯增大，后級葉輪的變化幅度大于前級葉輪。

本文對某大型膨脹機模型進行數(shù)值模擬，完成了對膨脹機的整體性能與流場細節(jié)進行預測，著重研究了在設定工況下，前緣葉片角對膨脹機整體性能的影響。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文通過數(shù)值模擬的方法對膨脹機進行流場分析，數(shù)值計算的基本思想是用一系列有限離散點上的變量值的集合來代替原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，并通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[12]。

膨脹機導葉的主要作用是改變工質的流動方向，以便于其流入轉子做功，同時導葉也可以對工質進行降壓加速，轉子是膨脹機重要部件，本文對徑向膨脹機的導葉和轉子部分建模，使用單流道模型，以便更好地理解葉片角對膨脹機特性的影響。簡化幾何模型如圖1所示。

圖1 膨脹機導葉和轉子模型Fig.1 Model of expander guide vane and rotor

1.2 網(wǎng)格劃分

為了獲得轉子和導葉葉片中更精確的流場結果，使用ANSYSTurbo Grid生成網(wǎng)格。選擇自動拓撲和網(wǎng)格劃分方法，該方法可以自動優(yōu)化流道的拓撲結構，根據(jù)不同情況選擇合適的網(wǎng)格類型，生成高質量的網(wǎng)格。在進行數(shù)值模擬計算時，主要研究葉片角度對轉子性能的影響，為降低網(wǎng)格劃分難度，節(jié)省計算時間與成本，本文選擇使用單通道模型進行仿真模擬。圖2為導葉與轉子網(wǎng)格模型示意圖。

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Illustration of the grid

為了消除網(wǎng)格大小對流動解的影響，需要進行網(wǎng)格獨立性研究，本文對單流道模型進行網(wǎng)格無關性驗證，網(wǎng)格選取了10組對比，檢測不同網(wǎng)格質量對導葉出口馬赫數(shù)的影響，圖3可以看出，單流道網(wǎng)格數(shù)量超過12萬以后，導葉出口速度基本趨于一致，對于12萬數(shù)量以下的網(wǎng)格，質量流量和效率的差異是明顯的，對于12萬以上的網(wǎng)格，不同大小的網(wǎng)格不會產(chǎn)生明顯的差異，但是，較大的網(wǎng)格會大大增加計算時間。因此，考慮到流動解所需的精度和計算時間，選擇12萬網(wǎng)格進行后續(xù)模擬仿真。

圖3 網(wǎng)格無關性驗證Fig.3 G rid-independence verification

2 計算方法

2.1 控制方程與湍流模型

在CFX的CFX-Solver中，求解流場的控制方程是連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。下面以可壓縮流的形式給出相關方程：

連續(xù)性方程:

動量方程:

其中應力張量τ與應變率的關系為:

總能量方程:

其中SE和SM是源項，源項產(chǎn)生或者消散能量和動量。

通過分解，將Navier Stokes方程轉化為RANS方程到一個平均分量和波動分量的瞬時速度。這種分解產(chǎn)生了一個未知的額外項，稱作雷諾應力。雷諾應力模型采用湍流模型，通常是渦粘模型或雷諾應力模型[13]。本文設計的透平膨脹機，內(nèi)部有局部超音速流動，且溫度改變顯著。因此，選擇加載總能量方程。

SSTk-ω湍流模型是一個雙方程的渦流粘性湍流模型，可以用于具有反向壓力梯度的流動。SSTk-ω模型在完全湍流區(qū)采用k-ε模型，在近壁面區(qū)域采用k-ω模型[14]。考慮到SSTk-ω模型的諸多優(yōu)點，以及眾多旋轉機械模擬對于該模型可靠性的驗證，本文湍流模型選擇SSTk-ω模型。

2.2 邊界條件

徑向透平膨脹機的內(nèi)部流動是非穩(wěn)態(tài)的，尤其是在旋轉區(qū)域，但非穩(wěn)態(tài)模擬計算會消耗大量的計算機資源和時間資源。本文主要研究葉片角度對膨脹機整體性能的影響，而不是捕捉某些位置的瞬態(tài)變化，因此采用穩(wěn)態(tài)計算。本文采用可壓縮氧氣進行模擬，給定總壓進口，靜壓出口；參考壓力為0Pa；轉子額定轉速為7600 r/min；導葉與轉子動靜交界面采用混合平面法處理；其余界面均設置為壁面，參數(shù)設置如表1，計算的收斂標準如下：

表1 單流道模型邊界條件Tab.1 Single flow channel model boundary conditions

1）全局殘差收斂小于10-4；

2）膨脹機的功率、效率等不再變化；

3）膨脹機的流量趨于穩(wěn)定，或幅度變化＜0.5%；

3 計算結果分析與討論

本文重點研究的是不同轉子前緣葉片角對膨脹機整體性能的影響，具體的計算結果分析與討論如下：

膨脹機轉子的葉片角分布對其流動特性有很大影響，膨脹機在運行過程中，除了導葉和轉子通道損失外，由于介質進入轉子時與徑向葉片成一定的入射角也會產(chǎn)生一定的損失，稱為入射損失。當工質來流入射角度一定時，根據(jù)工況選擇合適的葉片角，可以有效降低流動損失，改善各流動參數(shù)在膨脹機中的分布情況[14]。轉子葉片角是轉子圓周切線與葉片工作面切線間的夾角，如圖4所示，針對轉子葉片，又可以分為前緣葉片角和后緣葉片角。選定的葉片角β1B間接影響到由于葉片堵塞而產(chǎn)生的速度三角形，所選葉片角β1B和流向角度β1之間的差異被稱為入射角：i=β1B-β1。一般來說，沒有入射角的入流是指（i=0），如果i≠0，則葉片前緣周圍的流動會顯示出比較高的局部速度和比較低的靜壓。當i＞0時，即β1＜β1B，在設計工況下選擇正沖角時，介質會在葉片吸力面壓力較低的區(qū)域出現(xiàn)流體脫離流道的現(xiàn)象，此處所形成的旋渦不會輕易向其他區(qū)域延伸，因此認為這部分旋渦是穩(wěn)定的。本文所進行的仿真模擬，吸力面前中端都產(chǎn)生了低壓渦旋區(qū)域，可以認為是比較穩(wěn)定的設計結構。但是當i＜0時，即β1＞β1B，在設計工況下使用負沖角，則會在葉片壓力面出現(xiàn)大量的脫流區(qū)域，由于旋渦都處于高壓區(qū)域，會受壓力梯度的影響，渦旋快速進行轉移，因此這種類型的設計是不穩(wěn)定的。

圖4 前緣葉片角示意圖Fig.4 The rotor leading edge blade angle

為了解葉片角度分布對膨脹機性能的影響，特別是對效率、內(nèi)部損失的產(chǎn)生及運行范圍的影響，本文進行葉片角多參數(shù)模擬，建立的模型如圖5所示。

圖5 不同葉片角度模型示意圖Fig.5 Diagram o f different blade angle models

3.1 轉子流場分析

圖6為轉子葉片與底面壓力云圖，可以看到壓力面前端由于來流沖擊壓力較大，轉子內(nèi)壓力的整體下降趨勢，壓力場分布合理。

圖6 轉子壓力分布Fig.6 Rotor pressure distribution

3.1.1 轉子流道分析

圖7顯示轉子子午面云圖，圖7（a）為熵分布，可以看到流道內(nèi)能量損耗區(qū)域主要在流道頂部前中端，該區(qū)域出現(xiàn)明顯熵增，壓力云圖7（b）為轉子流道中端產(chǎn)生了低壓區(qū)，工質在流道內(nèi)整體壓力下降，溫度云圖7（c）和壓力云圖趨勢類似，也在轉子流道中端產(chǎn)生低溫區(qū)域，轉子子午面速度圖7（d）和圖7（e）為在轉子喉部區(qū)域速度達到最大值，流體在轉子前段速度加速，后段持續(xù)降低，這與導葉設計時想法一致，工質先在導葉中被加速到臨近音速狀態(tài)，隨后在轉子前端繼續(xù)加速到超音速狀態(tài)，最后在轉子中后端速度降低。整體可以看出轉子內(nèi)各參數(shù)變化均勻。

圖7 轉子子午面云圖Fig.7 Rotor meridian surface contours

圖8為轉子單流道體積云圖。圖8（a）壓力分布可以看出，轉子流道整體壓降分布均勻，高壓區(qū)主要在轉子進口葉片處，該區(qū)域由于轉子旋轉與導葉的來流沖擊產(chǎn)生局部高壓，低壓區(qū)域主要集中在流道前中段。如圖8（b）所示的熵分布顯示轉子能量損耗主要在轉子頂部，主要熵增來自轉子頂部中段區(qū)域，該區(qū)域流道面積增大，并且流道方向轉變，容易形成紊流，產(chǎn)生大量熵增，結合后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域發(fā)生超音速流動，形成低壓區(qū)域，轉子設計時應當重點關注該區(qū)域流道設計。

圖8 轉子單流道云圖分析Fig.8 Rotor single channel contours analysis

圖9分析了轉子流道內(nèi)馬赫數(shù)與通道面積的變化規(guī)律，顯示轉子流道面積在通道前端先縮小后增大。與此對應，通道中流體馬赫數(shù)從轉子進口持續(xù)加速先突破1，然后在流道30%處達到最大馬赫數(shù)，后續(xù)隨著通道面積增大而逐漸減小。流道馬赫數(shù)大于1后發(fā)生超音速流動，局部產(chǎn)生激波，轉子葉片通道可能發(fā)生堵塞，在流道位置30%處，馬赫數(shù)達到最大值。結合前面的流場分析，該區(qū)域也是轉子內(nèi)部壓力低壓區(qū)，溫度低溫區(qū)，能量損耗較為劇烈的區(qū)域。同時可以看到流道面積主要在轉子前端增加，在轉子尾部區(qū)域，流道轉向，流道面積趨于平穩(wěn)，該流段主要引流，各參數(shù)變化對比流道前端較為平緩。

圖9 轉子流道面積與馬赫數(shù)變化規(guī)律Fig.9 The change rule of rotor channel area and Mach number

3.2.2 轉子葉片分析

上文主要針對轉子流道進行了分析，現(xiàn)對轉子葉片壓力面與吸力面流場進行研究，圖10顯示了轉子葉片壓力云圖，可以看到壓力面壓力整體高于吸力面壓力。吸力面前端出現(xiàn)低壓區(qū)，該區(qū)域流體流速快，壓力低。在葉片前端，由于來流擾動，形成局部高壓區(qū)。周向渦量能反映近壁面的高損失區(qū)，使周向渦量峰值束縛在近壁區(qū)，有利于降低流動損失[15]。圖11顯示了轉子50%葉高處的渦量分布，由于膨脹機整體設計合理，流道區(qū)域未產(chǎn)生明顯的渦量分布，渦量分布都集中在葉片附近，尤其葉片前緣，該分布有利的降低了流道能量損耗。

圖10 轉子葉片壓力云圖Fig.10 Rotor blade pressure contourmap

圖11 葉片渦量分析Fig.11 Blade vortex analysis

為了分析轉子葉片表面從進口到出口的壓力分布，分別取轉子葉片10%、50%和90%葉高處的壓力進行對比。圖12可以看出葉片前端整體壓力比后端大。前端葉片50%受力最大，末端各處受力較為均勻。中部壓力面受力較為一致，但吸力面10%葉高處壓力最高，90%葉高處最低。結合前面流道熵分析，因為90%葉高處能量損失嚴重，10%葉高處損失較小，葉片吸力面頂端產(chǎn)生低壓區(qū)，說明轉子葉片可以進一步進行優(yōu)化設計，使葉片受力更加合理，有效減少磨損。

圖12 轉子壓力分布Fig.12 Rotor pressure distribution

圖13顯示轉子通道內(nèi)各截面參數(shù)均值，可以看到，轉子流道內(nèi)壓力和溫度變化趨勢基本一致，壓力和溫度都是在流道前段大幅度穩(wěn)定下降，在流道前中段達到最小值。在流道后部，壓力和溫度基本趨于穩(wěn)定，該段主要起導向作用。轉子前端熵增較小，接近等熵膨脹。在流道中端，由于流道轉向產(chǎn)生了大量熵增，以及通道面積持續(xù)擴大，產(chǎn)生了局部紊流所致。最后段熵增是由于流體脫離葉片，產(chǎn)生流動分離。馬赫數(shù)顯示，轉子內(nèi)工質速度先突破音速，在流道30%處達到最大值，后續(xù)隨著通道面積的擴大，速度持續(xù)下降。整體可以看到工質發(fā)生能量轉移主要集中在轉子前端部分，后端主要是導向作用，壓力與溫度變化都平緩，轉子結構應當重點關注流道30%處及轉子頂部區(qū)域，該區(qū)域流道轉向并且流道面積增大，各參數(shù)變化較為劇烈。

圖13 轉子流道參數(shù)變化Fig.13 The parameters variation of rotor channel

3.2 前緣葉片角對膨脹機整體性能的影響分析

為驗證前緣葉片角度對膨脹機性能的影響，在固定后緣安裝角度不變的情況下，對前緣葉片角從85°～170°，每隔5°進行一次建模并模擬計算。

圖14顯示葉片角對絕熱效率的影響。X方向為轉子前緣葉片角，Y方向為轉子后緣葉片角，Z方向為絕熱效率，可以看到隨著葉片角的變化，存在最佳效率點。當葉片角過大或過小時，流體對葉片前后緣沖擊改變，造成邊界層分離，導致效率下降。同時可以看到，后緣葉片角對于轉子的性能影響較前緣葉片角偏小，所以本節(jié)重點研究前緣葉片角度變化對膨脹機性能的影響。

圖14 轉子葉片角對效率影響Fig.14 Effect of rotorblade angle on efficiency

為了分析不同前緣葉片角模型中各流道內(nèi)部的流場，選取了前緣葉片角分別為90°、110°、130°、150°和170°進行不同葉高的參數(shù)分布云圖對比。圖15顯示不同葉高和不同安裝角壓力云圖對比，可以看到：

圖15 不同葉片角和葉高處的轉子壓力云圖Fig.15 Rotor pressure contours atdifferent blade angles and blade heights

①觀察相同葉片角不同葉高處的云圖可以看到，隨著葉高的增加，前緣高壓區(qū)增大，流道前段產(chǎn)生的局部低壓區(qū)也增大。說明在轉子頂部，流場變化比底部劇烈，更容易發(fā)生壓力突變。對比各葉片角壓力分布，葉片角90°時，10%和90%葉高處流道前緣出現(xiàn)了多個低壓區(qū)，當葉片角大于130°，50%葉高處流道中段也出現(xiàn)了多個低壓區(qū)，造成壓力劇烈變化，不利于轉子工作，只有葉片角在110°左右時綜合壓力場較為合理，很好的印證了該設計值處效率較高。

②觀察相同葉高處不同葉片角對于壓力分布的影響，可以看到50%葉高處不同葉片角的壓力分布，隨著葉片角的增大，葉片前緣吸力面會產(chǎn)生高壓區(qū)，在葉片角90°與110°附近，葉片前緣吸力面分布較為均勻，其他參數(shù)皆有嚴重的局部高壓。當葉片角大于130°后尤其明顯，這是由于葉片角度與來流方向不匹配導致的前端沖擊增大，造成局部高壓。觀察50%葉高時不同安裝角對于流道中段的影響，可以看到，隨著葉片角的增大，流道中段的低壓區(qū)會增大，當葉片角大于130°后，還會出現(xiàn)多個低壓區(qū)域，在流道30%處，流道發(fā)生轉向，該處速度增大，壓力降低，發(fā)生紊流，葉片后緣處由于流動分離也會出現(xiàn)局部低壓區(qū)。

由于旋渦運動產(chǎn)生熵增，因此熵分布可以反映流場旋渦特征，圖16顯示了前緣葉片角分別為90°，110°，130°，150°和170°時，各流道不同葉高處截面的熵云圖。可以看到，葉片角不變時，90%葉高處流道內(nèi)的熵增比10%明顯，轉子尾跡更加明顯，葉高越高，熵變也越大，說明流道內(nèi)轉子頂部的能量損失比底部要嚴重，產(chǎn)生的能量損耗增多，葉片在葉高方向有進一步優(yōu)化的空間。觀察相同葉高處不同葉片角的熵分布，可以看到，熵增隨著葉片角的增大而增大，當葉片角度大于130°后，流道內(nèi)的熵變明顯加劇，說明葉片角過大會加劇能量損耗不利于轉子性能。

圖16 不同葉片角和葉高處的轉子熵云圖Fig.16 Rotorentropy contours atdifferent blade angles and blade heights

圖17為前緣葉片角對出口溫度、質量流量、軸功和絕熱效率的影響，可以看到，隨著前緣葉片角增大，絕熱效率先增加后降低，在105°左右達到最大值，出口溫度先降低后升高，在105°時達到最低溫度，說明膨脹機轉子流道內(nèi)溫降與效率變化正相關，溫降越大，效率越高。當葉片角大于110°以后，質量流量、軸功、效率都降低了，這是由于葉片角變大后，入射損失加劇，能量損耗增大，產(chǎn)生渦旋，導致整體流量減小。

圖17 前緣葉片角對出口溫度、質量流量、軸功率和絕熱效率的影響Fig.17 The effect of leading edge blade angle on outlet temperature,mass flow sha ftpower and adiabatic efficiency

圖18對比了轉子前后緣葉片角對導葉出口（即轉子進口）馬赫數(shù)的影響，可以看到前緣葉片角在85°～110°時，隨著前緣葉片角的增大，導葉出口馬赫數(shù)減小的幅度有限，隨著葉片角度超過110°，導葉出口馬赫數(shù)大幅度下降，說明葉片角度與流場不匹配，造成渦流及回流，降低了效率。同時可以看到，后緣葉片角度對導葉后緣馬赫數(shù)影響很小，因為轉子葉片后緣更接近轉子出口，對于進口參數(shù)影響沒有前緣葉片角大。

圖18 前緣葉片角對馬赫數(shù)的影響Fig.18 Effectof leading edge blade angle on Mach number

圖19顯示前緣葉片角分別為90°、110°、130°時，轉子流道流場的分布圖。圖19（a）可以看到，當前緣葉片角為90°時，高壓區(qū)域集中在前緣壓力面，這是由于來流直接沖擊在前緣壓力面，隨著葉片角的增大，葉片前緣高壓區(qū)域逐漸從壓力面轉移到吸力面。當角度為130°時，可以看到由于葉片彎曲程度過大，前緣高壓區(qū)集中在吸力面不利于流場分布，因為在整體流道內(nèi)，靠近壓力面的壓力要大于吸力面的壓力，前緣葉片角過大，會導致前緣高壓區(qū)壓力變化過大，產(chǎn)生擾動。當設計值為110°左右時，前緣壓力場分布較為均勻。圖19b顯示流道內(nèi)的溫度分布，葉片角110°時前緣溫度分布較為均勻，90°和130°前緣都出現(xiàn)了局部高溫，該區(qū)域產(chǎn)生渦旋擾動，產(chǎn)生能量損耗，加劇摩擦，產(chǎn)生局部溫升。由于旋渦運動產(chǎn)生熵增，因此熵分布可以反映流場旋渦特征。圖19（c）顯示了三種流場的熵變云圖，可以看到130°時，葉片前緣壓力面產(chǎn)生大量熵增，該區(qū)域的壓力偏低，溫度過高，可能存在局部渦流。90°相對產(chǎn)生熵增區(qū)域較小，110°則為最佳。圖19（d）為流線分布，可以看出110°時前緣流線均勻，90°較為紊亂，130°明顯出現(xiàn)渦流。

圖19 前緣葉片角為90°，110°和130°時的流道云圖分析Fig.19 The rotor flow channel analysis at90°，110°，130°leading edge b lade ang le

為了研究不同前緣葉片角對葉片前緣入射損失的影響，圖20顯示葉片面上的各參數(shù)云圖分布。可以看到隨著前緣葉片角的增大，前緣壓力面逐漸轉移到吸力面。最佳的設計值應該在90°～110°之間。圖20（b）顯示葉片前緣的熵分布，可以看到，隨著葉片角度的增大，前緣壓力面的熵增隨著增加，在130°尤為明顯，由于來流沖擊，導致該區(qū)域能量損失嚴重。這說明適當?shù)那熬壢~片角，或者與設計值匹配的葉片角對于膨脹機性能有顯著的影響。圖20（c）顯示葉片壓力面流線，可以看到葉片角130°時壓力面前端流線紊亂，90°與110°較為合理，沒有出現(xiàn)明顯回流。圖20（d）顯示葉片吸力面流線，130°壓力面前端和吸力面中部出現(xiàn)明顯紊亂，90°與110°沒有出現(xiàn)明顯紊亂。說明角度與設計值不匹配，會出現(xiàn)大量渦旋，不利于提高膨脹機性能。

圖20 90°，110°和130°葉片角的云圖分析Fig.20 90°,110°and 130°blade leading edge angle contour analysis

由于前緣葉片角對于膨脹機性能有重要影響，故分別對100°、110°和120°前緣葉片角進行多參數(shù)模擬。如圖21(a)所示，可以看到在設定工況下前緣葉片角在100°和110°時，膨脹機效率較高，當前緣葉片角增大到120°時，效率顯著降低。此外，隨著進口壓力的升高，在2900 kPa與3100 kPa之間效率存在峰值。圖21（b）顯示進口壓力越大，出口溫度越低。亦即進出口壓差越大，溫差也會增大。圖21（c）可以看到，隨著進口壓力的增大，導葉出口馬赫數(shù)隨之增大；同時前緣葉片角越大，導葉出口馬赫數(shù)越小。但是，當進口壓力過大時，由于導葉內(nèi)流道減縮，馬赫數(shù)的增大明顯變緩，并且變緩的轉折點與前面提到的效率峰值基本相對應。并且在前緣葉片角100°時馬赫數(shù)最大，120°馬赫數(shù)較小。圖21（d）顯示流量隨著進口壓力的增大而增大，并且在前緣葉片角100°時流量最大，120°流量較小。

圖21 進口壓力對葉片角的影響Fig.21 Effect of inlet pressure on blade angle

綜上所述，導葉出口速度與溫差在一定范圍內(nèi)會隨進口壓力增大而增大，但是效率存在最佳工況點，因此設計匹配的工況對提高膨脹機性能是非常重要的。

4 結論

本文分析了透平膨脹機內(nèi)的主要流場特性，主要得到以下結論：

1）當前緣葉片角在85°～135°范圍變化時，絕熱效率最高達90.15%，最低會降至74.23%，前緣葉片角主要會影響轉子與定子交匯區(qū)域的流體流動。

2）轉子能量損失主要集中在葉片附近，前后緣會發(fā)生流動分離，尤其在高的葉高處會產(chǎn)生紊流，降低膨脹機的效率。轉子流道前端會出現(xiàn)局部低壓高速區(qū)域，由于流道轉向，以及流道橫截面積持續(xù)擴大，導致產(chǎn)生了局部紊流。同時轉子前端高壓區(qū)會隨著葉片角增大，而改變來流方向與葉片接觸角，受沖擊區(qū)域由壓力面轉移到吸力面。

3）前緣葉片角大于130°時會出現(xiàn)明顯的紊流，相比之下，110°前緣葉片角能夠很好地引導流動從進口順利地到達出口。前緣葉片角過大，會導致前緣高壓區(qū)壓力變化過大，產(chǎn)生擾動。與設計工況不匹配的葉片角不利于流場分布，會增加流場能量損耗，產(chǎn)生渦流，應盡量避免，同時還發(fā)現(xiàn)不同工況最佳效率對應的葉片角設計角度是不同的。

綜上所述，當轉子前緣葉片角偏大或者偏小時，葉片前緣與介質來流方向差異過大，增加了轉子進口的入射損失。轉子前緣葉片角會影響轉子與導葉交匯區(qū)域的流體流動。與設計工況不匹配的葉片角不利于流場分布，會增加流場能量損耗，產(chǎn)生渦流。在設計與工況條件下，最佳的葉片角大約為110°。