前缘弯掠子午加速叶轮及其不同流道配置的研究.pdf

华中科技大学
博士学位论文
前缘弯掠子午加速叶轮及其不同流道配置的研究
姓名:谢军龙
申请学位级别:博士
专业:流体机械及工程
指导教师:吴克启
20050427
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
形理论和边界层法则的应用和实现一次设计部分是基于叶栅试验资料和
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耦合设计系统
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
使用有理方法通过合理设置有理方法中的权因子和叶型的控制点在
I
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
台缩短近的试验时间将性能测试系统和激光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实验结果与计算结果
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和教育部博士点基金项目
的资助

关键词: 前缘弯掠叶型子午加速转子叶面造型数值模拟 DPIV 测量
环壁边界层失速裕度叶尖涡
II
With the development of national economy and the harsh energy and request of the
environment, higher and higher performance requests, such as wider operating range, high
efficiency, has been put forward to the design of turbomachinery. Use the blade
Skewed-Swept rationally can