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单级轴流风机准三维设计*

刘晓明  苏莫明  田  琳 / 西北工业大学动力与能源学院    
摘要:详细地讨论了用流线曲率法对单级轴流风机进行准三维设计的方法和步骤,结合平面叶栅法和流线曲率法解决了单级轴流风机的设计问题,这种方法让叶片造型更加适应流场的分布,可以达到较好的增压效果。最后得到叶片前后缘气流参数和动静叶片中心面的形状,并对算例设计结果的压缩性能进行了评估。
关键词:单级轴流风机;准三维;流线曲率法
中图分类号:TH453 文献标志码:B
Quasi-three-dimensional Design of Single-stage Axial-flow Compressor
Abstract: This paper detailedly introduces the method and steps of quasi-three-dimensional design for single-stage axial-flow compressor with the method of stramline curvature. The design problem in single-stage axial-flow compressor has been solved by combining plane cascade design with method of streamline curvature. This method makes the blade profile more adapt the flow distribution and can achieve better pressurized effect. Finally the gas flow parameters and the shape of center plane of dynamic & static blade are obtained, and the example is evaluated about its compression properties.
Key words: single-stage axial-flow compressor; quais-three-dimensional; method of stramline curvature
0 引言
  目前设计轴流风机大多采用的是平面叶栅设计与模化设计方法,但是这两种方法都必须依赖大量且性能参数齐全的已有风机的相关数据。如果能够让风机叶片根据流场参数分布来确定其结构参数,那么设计出的轴流风机性能会更加优越。
  流线曲率法[1]是把实际平均流面上的速度参数投影到子午面上,通过求解速度沿多条准正交线在子午面上投影线的梯度方程,得到子午面上的气流参数分布,进而反推到实际平均流面上,让叶片中心面与得到的实际平均流面平行,则得到有较好流场分布的叶片形状了。在文献[2]中已给出针对离心式压气机叶片的流线曲率法正反问题求解方法,但是这种方法用于计算轴流压气机则有较大误差,文献[3]中则给出了用于多级轴流压气机正问题的求解方法,文献[4]中阐述了轴流压气机反问题的求解方法,鉴于轴流风机与轴流压气机的相似性,可以考虑用流线曲率法来设计单级轴流风机,但由于只有一级叶片,所以计算时需要经过适当的处理以增加其计算准确性。这里结合平面叶栅法来进行单级轴流风机的设计,具体设计思路如下:
  1)由平面叶栅法进行初步设计得出通道轮廓,并确定扭曲规律(即确定叶片间隙处的环量分布);
  2)利用平面叶栅法得到的通道形状和环量分布数据进一步进行准三维设计,计算出叶片级中压力的分布状况,同时得到整个流场中速度的分布情况;
  3)根据步骤2)中算出的速度分布情况得到动叶和静叶前缘及后缘的速度三角形,对叶片重新进行调整得到更合理的叶片形状。
  在步骤2)中用流线曲率法进行计算时,为简化计算需做以下假设[1]
  a.计算限于两排叶片之间的间隙中;
  b.流动是定常的;
  c.两排叶片中的间隙中,流动是轴对称的;
  d.流动过程中与外界无传热,即流动是绝热的;
  e.运动方程中,忽略粘性力。但考虑到实际流动中由于粘性而引起的损失,使热力学参数熵S发生变化。S的增加通过总压回复系数σ (静叶)和流动效率η(动叶)来计算。而ση由经验方法确定;
  f.由于只计算间隙中的流动,所以各排叶列之间的流线系根据各间隙中计算的结果,取相同的流量点,用光滑曲线连接而成;
  g.由于运动方程中忽略了粘性力。这样在固体壁面附近,计算得出的流速将偏高,因而计算得出的流量必将大于实际值。考虑到这种情况,用流量系数 μks作修正。

  h.流体为完全气体

1 设计流程
1.1 平面叶栅设计[2]

  由给定质量流量、压比、气体热力学参数以及进口气流参数,首先计算风机通道轮廓,叶片数目;接着计算平均半径处的气流参数;根据平均半径处参数并结合一定的扭曲规律分别计算动叶和静叶各级的环量分布和叶片参数,确定动叶前缘后缘以及静叶后缘准正交线的位置,为下一步准三维设计做准备。
1.2 流线曲率法准三维设计
  由于现在只有动叶前缘、动叶后缘和静叶后缘三条准正交线,这样计算的误差会比较大,所以在动叶前面再多加两条准正交线。准正交线及流线分布见图1。
  由于要让控制方程既能用于动叶后缘又能用于静叶后缘,所以使用相对速度进行推导,见图2。

1.3 对叶片进行重新设计
  利用准三维计算得到的气流角度参数(对于动叶是相对气流角;其它为绝对气流角)和叶片的初始安装位置参数,对叶片进行重新造型,得到更好的叶片形状。
2 算例分析
  下面以一个例子来说明单级轴流风机准三维设计的方法,给定原始数据如下:
  风机的质量流量G=100.0 (kg/s);
  风机转速ω=3 000 (r/min);
  进口气体参数pi=1.0135×105 Pa,
  Ti=273.15 K;

  再由流线曲率法计算得到流场中气流参数见表2,这里只列出叶根、平均半径处和叶顶3条流线上的气流角度。
      最后根据流线曲率法所得的气流角度参数对叶片进行重新设计,其中心面形状如图5和图6。

  
  压缩气体热力学参数:气体常数R=287.0(J/kg.K),绝热指数κ=1.41。
  首先采用平面叶栅法得到通道形状参数,并确定扭曲规律,这里以等环量分布为例,见表1。

  RHZH分别表示叶根部的径向坐标和轴向坐标;RSZS分别表示叶顶部的径向坐标和轴向坐标。
  由平面叶栅法设计所得叶片中心面形状见图3和图4。

  图7绘出了整个叶片级的压力分布状况。可以看到,气流经过叶片级的压力是逐渐增大的,其平均压比可达1.13,达到了设计要求。
3 结论
  本文利用平面叶栅设计和流线曲率法反问题设计很好的解决了单级轴流风机的设计问题。需要注意的一点是,设计中环量分布规律的选择对最后的叶片级的设计有着显著的影响,可以采用不同的扭曲规律用本文所述方法设计叶片级,并比较其优劣来进一步优化其设计结果。

参考文献

[1] Michael R. Vanco. Fortran program for calculating velocities in the meridional plane of a turbomachine I - centrifugal compressor[R]. NASA TN D-6701, 1972.
[2] 李超俊, 余文龙. 轴流压缩机原理与气动设计[M].北京:机械工业出版社,1987.
[3] 舒士甄, 朱力, 柯玄龄,等. 叶轮机械原理[M].北京:清华大学出版社,1991,10.
[4] 高国荣,苏莫明,杨云凯. 轴流压缩机叶轮流线曲率法反问题的研究[J]. 风机技术,2009(5):7-10.