（动力机械及工程专业论文）可逆风机叶型设计及离心压缩机窄通道级研究.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究二r = 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同：1 ：作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盘缸日期：2 堕：丝 人连理l ：人学硕十研究生学位论史 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论吏作者及指导教师完全了解“大连理t 大学硕 、博l 学位沦文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许沦文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论义的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：莲盘旌 导师签名 一连基 三丝年丝月丝同 人连理1 人学硕卜研究生学忙论戈 摘要 作为地铁内通风的主要设备一可逆式轴流风机，不仅承担着地铁地下内部空间与外 部自然空间的气体交换工作，而且还需要在事故工况( 如火灾、堵塞等) 下进行排娴、 补充新风等。目前，随着我国经济的飞跃发展，交通建设取得了突飞猛进的成就。地铁 在城市地面交通空间日益减少情况下，已经成为缓解城市交通运输压力的一个重要出 口，地铁用通风机的作用也愈来愈彰显突出，因此，研究地铁用一f j 逆式轴流风机具有非 常重要的现实意义。可逆式轴流风机与普通通风机的显著不同之处就在于它不仅要保证 正向通风的性能，同时还要确保能够满足事故工况下反向通风的要求。决定风机性能好 坏的主要凶素是轴流风机叶轮的气动性能，而叶轮叶片的翼璀又是决定叶轮性能的关 键，因此如何设计简便、高效地实现轴流风机直接反转反风的叶型，就成为一项在理论 上与实用上都急需解决的问题，这也是本文探索的主要目标之一。 本文利用专用的计算流体分析软件n u m e c a ，借助数值试验的手段，对地铁用可逆式 轴流风机的内部流场进行数值模拟，并对叶轮叶型进行优化设计。采用一种效率比较高 的普通风机叶片翼型作为原始翼型，按不同睦度比例缩小原始翼型，反向搭接在原始翼 型的出口圆弧处，经过光滑处理，保证叶型表面的流线形后，构成本文所研究的新型双 头双机翼反向s 型不对称翼型。分析缩放比例不同的可逆式轴流风机叶型的数值模拟结 果，比较各种叶型的流场分布规律，寻找到一种适合于设计工况下正、反双向吹风的双 头双机翼反向不对称s 型叶型，能够满足地铁用可逆轴流) x t , $ t l 的要求。 另外，本文还对离心压缩机窄通道级( 包括进气道、叶轮、扩压器、弯道和回流器) 内部流动情况进行了详细的数值模拟，以某窄通道级为研究原型，根据数值模拟的结果， 分析各元件效率低的原因，查找影响因素，并进行相应的结构优化，最终达到提高整级 效率的目的。 关键词：轴流式通风机；可逆式；离心压缩机：窄通道级；数值模拟 赵锐：可逆风机n ”敬h ，5 乏离心压缩机窄通道绒研究 b l a d ed e s i g no ft h er e v e r s i b l ea x i sf a na n dr e s e a r c ho ft h en a r r o w c h a n n e ls t a g ew i t h i nt h ec e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r a b s tt a c t a sap r i m a r yd e v i c ei ns u b w a yv e n t i i a t i o n ，t h er e v e r s i b l ea x i a lf l o wf a ni sn o to n l yu s e d t oe x c h a n g et h eg a sb e t w e e nt h ea i ri n s i d et h es u b w a ya n dt h eo n ei nt h eo u t s i d en a t u r e b u t u s e dt oe l i m i n a t es m o k ea n ds u p p l yf r e s ha i ru n d e ra c c i d e n t s ( s u c ha st h ef i r e ，t h ei a m ，e t c ) a tp r e s e n t ，w i t ht h ed o m e s t i ce c o n o m yf a s td e v e l o p m e n t ，t h et r a f f i ct r a n s p o r t a t i o nh a sg a i n e d r e m a r k a b l ea c h i e v e m e n t s t h es u b w a yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tw a yt or e d u c et r a f f i c p r e s s u r ei nt h ec i t yw h i l et h es u r f a c et r a n s p o r t a t i o ns f i a c ei sd e c r e a s i n gi n c r e a s i n g l y t h u st h e f u n c t i o no ft h ea x i a lf l o wf a ni ns u b w a yb e c o m e sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g t h e r e f o r e m a k i n gr e s e a r c h e so nt h er e v e r s i b l ea x i a if l o wf a ni ns u b w a yh a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a i s i g n i f i c a n c e t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e v e r s i b l ea x i a lf l o wf a na n dt h eg e n e r a lo n ei s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e ri sa s s u r e dn o to n l yi nt h en o r m a lv e n t i l a t i o nb u ta l s oi n a c c i d e n t sa tt h es a m et i m e t h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft i l ea x i a lf l o w f a ni st h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ei m p e l l e r ，w h i c hi sm a i n l yd e p e n d e do nt h ea i r f o i l o ft h ei m p e l l e rb l a d e s oh o wt od e s i g nt h eb l a d eo ft h er e v e r s i b l ea x i a lf l o wf a ns i m p l ya n d e f f e c t i v e l yb e c o m e su r g e n tp r o b l e mn e e dt ob er e s o l v e db o t hi nt h e o r ya n di np r a c t i c e a n dj t i sa l s oe s s e n t i a ls t u d yt a r g e to ft h i sp a d e r t h ec f ds o f t w a r en u m e c ai su t i l i z e di nt h i sp a p e r ，a n dw i t ht h ea i do fn u m e r i c a l e x p e r i m e n tm e t h o d t h ef l o wf i e l di n s i d et h er e v e r s i b l ea x i a lf l o wf a ni ns u b w a yi ss i m u l a t e d n u m e r i c a l l ya n dt h eb l a d ei sd e s i g n e da g a i nf o ro p t i m i z a t i o n o n et y p eo fb l a d ea i r f o i lw i t h h i 曲e f f i c i e n c yo fag e n e r a la x i a lf l o wf a ni sa d o p t e da so r i g i n a la i r f o i l ，a n di t i ss h o r t e n e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tl e n g t h s c a l e ，a n dt h e nj o i n e dt ot h ee x p o r t a t i o nc i r c u l a ra r co ft h e o h + g i n a la i f f o i li nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n a s s u r i n gt h es t r e a m l i n eo nt h es u r f a c eo ft h eb l a d e p r o f i l ea f t e rs m o o t ho p e r a t i o n ，an e wk i n do f d o u b l e h e a da n t i u n s y m m e t r i c a lsm o d e l a i r f o i l sh a sb e e ns t r u c t u r e dt ob er e s e a r c h e di ut h i sp a d e r a f t e ra n a l y z i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ei m p e l l e rb l a d ew i t hd i f f e r e n ts c a l e ，a n dc o m p a r i n gt h ef l o wf i e l d d i s t r i b u t i n g t h e no n ek i n do fd o u b l e h e a da n t i - u n s y m m e t r i c a lsm o d ea i r f o i l si sf o u n d w h i c h i ss u i t a b l et ot h en o r m a la n dt h er e v e r s e db l o w i n gf o rd o u b l ed i r e c t i o n su n d e rt h ed e s i g n o p e r a t i n gc o n d i t i o na n dw h i c hc a na l s os a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf o rt h er e v e r s i b l ea x i a lf l o w f a ni ns u b w a y m o r e o v e r , i ti ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yi nt h i sp a d e rf o rt h ei n t e r n a lf l o wi nt h en a r r o w c h a n n e ls t a g ew i t h i nac e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ( i n c l u d i n gt h ei n l e t ，t h ei m p e l l e r ，t h ed i f l u s e r ， t h ec u r v e dc h a n n e la n dt h er e t u mc h a n n e l ) o n en a r r o wc h a n n e ls t a g ei sa d o p t e da sp r o t o t y p e f i r s t l y b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef a c t o r sl e a d i n gt ol o we f f i c i e n c yi n e v e r yc o m p o n e n ta r ea n a l y z e da n df o u n d ，a n dt h e nt h eo p t i m i z a t i o nf o rt h es t r u c t u r eo ft h e b a r r o wc h a n n e ls t a g ei sm a d e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ew h o l es t a g ee f f i c i e n c yf i n a l l y k e yw o r d s ：a x i a lf l o wf a n ；r e v e r s i b l e ；c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；n a r r o wc h a n n e l s t a g e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 人连理一i 1 人学硕士研究生学位论文 1 绪论 本文的主要1 作是设计地铁用可逆式轴流j x l 机叶轮的叶型，并对叶型结构进行优 化改进，寻找一种透合于设计工况下正、反双向吹风的叶型，能够满足地铁用可逆轴 流风机的要求。另外由于科研的需要，本文还比较详细地研究了离心压缩机窄通道级 的性能并改进了其结构，最终提高了整级效率。 1 1 可逆式轴流风机的研究及发展 轴流通风机不仅已有悠久的历史，而且还是一种应用面很广的通用机械i j ，随着 公共交通事业的大力发展，通风机的需求量越来越大，对于通风机的性能要求也越来 越高。许多场合，如地下铁道、铁路隧道、公路隧道、仓库、舰船以及采矿、纺织等 行业，都要求风机能双向通风【5 - 1 2 ，而且往往要求反风响应快，反风量大。特别是在矿 井主通风机和局部通风机等领域，对风机的反风性能要求更高。为了保证矿井生产的 安全，目前我国煤矿安全规程要求风机的反风量不得小于正向运行时的6 0 ，反风时 间不得大于1 0 分钟。对于铁路、公路隧道、通风系统的主要目的有两方面：一是不断 注入新鲜空气以稀释车辆排放的污染物及c o 、n o x 、s 0 2 、c 0 2 等有害气体，使其 浓度保持在允许范围内；二是在发生火灾及其他危险情况时控制烟气的流动，迅速排 除烟气并保证隧道内的可见度。 一股来讲，研制出的可逆式通风机【1 3 瑚】，应具备如下的特点： 1 风机反风时，要求响应快，转换时间不超过1 0 分钟，反风量大： 2 风机的结构简单，安装尺寸小； 3 风机反风时，应具有噪声低和效率高的特点； 4 风机可操作性强、可靠性好、维修方便、运营费用低； 5 风机应具有较高的耐热温度。较长的耐热时间。 目前，正是由于地铁、隧道排风对风机特性及反转风机的需求，使得可逆风机的 研究与开发越来越受到人们的重视。风机反风主要是通过简单的叶轮反转来完成，有 的风机可以调整导叶安装角来提高风机反风时的效率，还有通过调整动叶安装角反风 的风机。但是，后一种反风措施由于实行起来很困难，在实际应用中很少被采用。例 如，它需要通过遥控机构同时调整叶片角度，这在实际中是有很多困难的。对于只是 通过叶轮反转束实现反风的风机，其效率更低，因为一般风机反向旋转恰好是风机最 不利的工作状态，它使风量大大下降，风压大大降低，风机效率很低，j x i 机常年在很 低效率fl 作，不仅造成电力极大的浪费，而且风机寿命也会缩短。 赵悦：可逆风机叶型设计及离心压缩机窄通道级j 【! j 究 从可逆式轴流眦机的反风机理及其装置结构特点来看，目前吲内外l 可逆，风机主 要通过以f 几种形式来实现反风【2 1 - 2 z l ： 1 叶轮直接反转法 叶轮直接反转的方式是指风机的反风通过改变电机的旋转方向来实现反风的方 式。这是目前实现最简单而且也是较通用的方法。这种反风方式具有结构简单、可靠 性好、反风响应快等特点。目前国内外直接反转主要通过以下两种方式实现： 一是将现有叶型直接反转来实现反风调节。从风机设计原理及叶片进出口速度三 角形可以看出，这种方式最大的缺点在于反向时尾部迎风，叶片不能满足正常的速度 三角形，势必导致风机反风性能恶化，正反向性能差别大，而为了满足反风量的要求， 往往不得不牺牲风机f 向运行时的性能指标致，使风机整体性能指标不高。文献 2 3 - z 5 1 对现有叶型的直接反转反风方式进行了大量研究，结果表明：叶型的拱度是影响风机 反风量的最主要因素，拱度越大，反风量越小，而降低叶型的拱度，又势必影响到风 机正向运行时的性能指标，其开发的2 k d b 5 5 型直接反转风机反风量达到6 0 ，但风 机的整体性能指标不高。 ( a ) 平板叶型( b ) 椭圆叶型( c ) s 型翼型 图1 i舣对称叶犁示意图 f i g 1 1s k e t c ho fb i s y m m e t r i c a lb l a d e 另一种动叶直接反转反风方式是通过 采用双对称叶型的动叶来实现。所谓双对称 叶型，又可称为正反向对称叶型，是具有正 反向流动性能相同特点的叶型，目前采用的 主要有平板型( 图1 1 a ) 、s 型( 图1 1 b ) 和椭圆型( 图1 1 c ) 等三种。这种直接反 风方式具有正反性能完全相同的特点，是实 现反风最为简单的方法之一。宁宣绥【2 6 1 采 用无扭曲中空平板结构叶片实现一反向可 逆式通风，但所设计的可逆式风机压头及效 率不高。 目前国内外对双对称叶型研究较多的是“s ”翼型，此种翼型的特点足翼型的中弧 线呈s 型，从而保证了肛l 机证反向运行时都能满足进口速度三角形，较好地兼顾了币 反向性能。我国西安交通大学的李超俊、魏百锁等人对可逆式轴流风机上应用s 翼型 进行了深入的研究，先后发展了三种s 翼型，如图1 2 所示【“蝎i ： 1 双圆弧s 翼型c s _ 4 f 图1 2 a ) ：其s 型中弧线由两段相切的圆弧连接而成，翼型 相对拱度f l = 4 ，最大升阻l l ( c ，c 。) 。= 2 0 8 ，可用冲角范围2 。一l l1 ，冲角为l l 。时翼型最大f 力系数c h 。：= 0 8 7 ； 人造胖f 人学硕卜研究生学位论文 2 双头双机翼反向对称翼型d o r m o y 一$ 4 0 ( 图1 2 ) ：它足由两个相同的原始翼，叫 d o r m o y 反向对接而成。其s p 弧线! ls 型，翼型相对拱度f l ：3 2 4 ，最大冲角为9 。时翼型最大升力系数c l m 。= o 9 ，根据此翼型设计的j x l 机正向运行时的压力系数为 0 0 7 2 4 ，效率为7 6 4 ，反向运行时门i 力系数为0 0 7 0 ，效率为7 0 0 ，基本上达到了 风机正反风性能相近的要求，但风机噪声较大； 胡萌矗贮目煅严二以， 一秒卞嫂眵吲 ( a ) 双圆弧s 翼型 ( b ) 双机翼反向对称s 翼型 ( c ) 摆线s 翼型 图1 2 不同类型s 翼型 f i g 1 2d i f f e r e n tt y p e so fsa i r f o i l c 3 摆线s 型双对称翼型b x $ 3 9 6 ( 图1 2 c ) ：针对双头双机翼反向对称 翼型d o r m o y 一$ 4 0 噪声较大，升阻比 不高的缺点，通过利用摆线低阻特性降 低噪声，增加升阻比。此s 翼型相对拱 度仂二3 9 6 ，最大冲角为1 2 。，对应 最大升力系数c h 。= o 8 9 ，最大升阻比 ( c c x ) 。= 3 0 9 a 此外在文献1 2 7 1 中还分别采用 c l a r k y 翼型和n a c a 6 6 翼型反向拼 接组成双头反向对称翼型，结果表明： 翼型的选择对町逆式叶型的影响较大； 选择厚度小、升力系数大的翼型效果较 好。 西北工业大学席德科等人对多种 s 翼型进行了对比实验研究i 捌，结果表 明：与多种s 翼型相比，具有与椭圆叶 型相近的r 1 8 可逆式对称翼型气动效 率最高，其综合性能指标最好；而将等厚平板叶型弯成s 型形式的r s 2 5 效果最差。 对予s 翼型，其根本性缺陷在于翼型后部的下拱使翼型表面的压力分布在后部产 生负的升力，抵消了翼型前部的部分升力，使总的升力系数比常规翼型小，而阻力系 数则大大增加；为使总升力达到定大小，势必需要增加攻角，因而容易造成翼型总 升力不太大的时候，攻角己达到失速攻角，使有效_ 作范围缩小。这也就是s 翼型k 期以来未获得实质性应用的丰要洲素。 2 动叶调节反风 近年来多采用动叶可调机构，它 l j 以使风机在变工况下能够经济运转，同时侄 特殊情况下又能保证风机有较好的反风性能。这种机构分机械式和液压式。图1 3 是机 3 赵锐：可逆风机州设计股离心压缩机窄通道级研究 图1 3 反风风机可调动叶示意图 f i g 1 3t h e s k e t c ho fb l a d e so f r e v e r s i b l ea x i a lf l o wf a n 械t 的动叶可调机构，其调节原理是：当风机停机 后，从机壳外的调节手柄，通过涡轮副和齿轮副的 传动，柬改变叶轮的安装角。采用液压式调节，可 以在风机运行时完成对动叶安装角的调节，从而满 足反风的要求。从图1 3 中可以看到，反风时虽然 调节了叶轮的安装角，但是叶轮仍然是以叶片尾部 迎风，翼型升力明显减小而阻力明显增大，使得风 机的反风性能下降。此外，这类风机结构复杂，由 于多了一套改变动叶安装角的传动机构，给应用带 来了一定的困难，因此，大中型风机偶尔需要反风时才考虑选用这种反风方式。 3 改变风机导叶定位角法 这种风机把前导叶和后导叶做成可调的，当风机需要反风时，适当调整导叶的安 装角来适应新的工作条件。这种方法在一定程度上能提高风机反风的工作效率。这种 反风的优点在于结构简单、反风快、气流方向改变时风机的性能保持不变。而且不需 改变动叶的旋转方向和安装角，只改变动叶进、出口端的导叶安装角，即可以反风。 显然反风时不需要停机，这样反风速度更快。当进、出口导叶互相作用时，它们的进 气边和出气边总是与动叶进出口边保持相对应的位置，因此正反向流动时风机的性能 保持相同。 4 工作轮反转，叶片反向反风 该类风机与动、静叶调节反风机理不同的是：风机反风时，在电动机反转的同时， 通过复杂的机构，使得风机的动叶安装角也改变1 8 0 度。这种结构的风机，具有正、 反性能相同，反风量大，正、反风效率都高的特点。在实际的应用中，通常是在刚刚 启动后，通风机的转速处于极低的条件下，施加上述的限制力，而使动叶反转的。通 过调节通风机的启动及电磁制动器的定时性，在通风机启动完毕之前，便可以完成动 叶的反转。该类风机的传动机构比较复杂，造价较高，多用于大、中型反风频繁的场 合。 5 对旋轴流通风机 对旋轴流通风机与普通风机的不m 之处存f ：在风机安装静叶处，设置了一个反 向旋转的动叶，它兼备普通轴流静叶的功能，从而达到普通风机很难达到的高风压。 现在我国国内使用的对旋风机多为板式结构，与国外同类产品相比，具有成本低、制 作方便的特点，是近几年推广应用的井r - k 距离通风设备。但是目前仍存在两级功率 不匹配、效率低、工作范围窄的缺_ h 用，1 在使用中往往存在单电机过早烧毁，而且 人连理i ：人学硕l 研究，17 _ 口论文 t 一作效率低的问题，无法满足f 常工作的需要。j 乓它风机相比，存在噪声值较高的 问题，往往会超过1 0 0 d b ( a ) 。应该指出，目前国内对旋风机的产品丌发设计者们一直 宣称：无导叶的对旋风机效率远高于带导叶的2 级轴流风机，但是，通过最近的研究 和计算发现，无导叶的对旋风机效率比带导叶的双级通风机效率要低4 ( 正向) 左右。 6 正反向完全对称式轴流通风机 完全正、反向对称式轴流通风机。这类风机有两个叶轮，分别对称设置于电机的 两端。当电机转动时，两个叶轮同时转动，并同时对气体做功，只是位于下流的叶片 做功效率较低；当反风时，两个叶轮的功能对调。除此之外，整个流道的设置也要完 全对称。这类风机的正、反风性能完全一致，但造价成本高，结构复杂。 综上所述，就目前可逆风机使用的情况来看，大多数用户倾向于采用将现有风机 直接反转的方式来实现反风。本文所研究的地铁用可逆轴流风机就是采用这种方式进 行反风。作为了地铁内通风的主要设备一可逆式轴流风机，不仅承担地铁地下内部空 间与外部自然空间的气体交换工作，而且还需在事故工况( 含火灾、堵塞等) 下进行排 烟、补充新风等。目前，随着我国经济的飞跃发展，交通建设取得了积极的成就，地 铁在城市地面交通空间越来越少情况下，已经成为缓解城市交通运输压力的一个重要 出口，导致地铁用通风机作用也越来越突出，因此研究地铁用可逆式轴流风机具有非 常重要的现实意义。轴流风机叶轮的气动性能是决定风机性能好坏的主要因素，而叶 轮叶片的翼型又是决定叶轮性能的关键，因此如何设计简便、高效地实现轴流风机直 接反转反风的叶型，就成为一项在理论上与实用上都急需解决的问题，也是本文探索 的主要目标之一。 1 2 离心压缩机窄通道级的研究及发展 透平式压缩机是一种叶片式旋转机械，它利用叶片和气体的相互作用，提高气体 的压力和动能，并利用相继的通流元件使气流减速，将动能转变为压力的提高【2 9 】。目 前，透平式压缩机已经可以满足工业上对气体压缩的各种需求，应用范围很广，而且 在许多领域中是其它类型压缩机所无法替代的。作为一种工业装备，它广泛应用于石 油、化工、天然气管线、冶炼、制冷和矿山通风等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动 机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见：作为增压器， 已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中， 它所需投资可观，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整 个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备。 按气体主要运动方向柬划分，透平式压缩机仃离心，、轴流式、轴流离心混合式。 趔锐：呵逆风机1 犁设计及离心乐缩机窄通道绒研究 其中离心式压缩机由于单级压比高，工艺性能好在航天、能源、化工及冶金等部门发 挥着极其重要的作用。由于离心式压缩机在这些国民经济的重要行业中所起到的巨大 作j _ i i ，提高离心式压缩机的性能必将产生巨大的应用价值和经济效益。因此长期以来， 各到学者对离心压缩机展开了广泛而深入的研究，以期设计出高性能的离心压缩机， 业已取得很多可喜的成果。但是由于受到旋转、曲率、粘性等因素的影响和相互作用， 导致离心式压缩机内部流动是三维非定常流动，流动现象非常复杂。为了设计出高性 能的离心式压缩机，就必须有非常完善、可靠的设计方法，因此离心式压缩机设计方 法的研究一直是径流式叶轮机械研究中的一个热点，也是一个难点。 迄今为止，离心式压缩机设计方法研究大致经历三个阶段1 3 州，即一开始的几何设 计方法，到二维气动设计方法，再到现在广泛应用的全三维反问题设计方法。最早出 现的几何设计方法，由于没有考虑叶片表面上载荷分布等气动问题，不可避免地会对 离心压缩机性能产生影响。随着设计人员研究的深入和技术上的进步，几何设计方法 逐步被气动设计方法代替，出现了二维气动设计方法并在此基础上建立了离- t l , 压缩机 计算机辅助集成设计系统。离心压缩机计算机辅助集成设计系统的建立，为高性能离 心式压缩机的设计提供了有效工具，并且已经在实际中得到应用。最近二十年内，全 三维反问题设计方法取得了飞速的发展，相继有一些学者在研究此种方法的基础上将 其用于各种叶轮机械的设计中。例如：z a n g c n c h 和g o t o 等人把全三维反问题方法用 于混流泵的设计【3 l 】；y i u 和z a n g e n c h 使用全三维反问题方法设计高速离心压缩机叶轮 1 3 2 1 ：t j o h r o a m i n a t a 对带有分流叶片的离心压缩机和向心涡轮的全三维反问题设计方法 进行了研究【3 3 】。目前，全三维反问题设计方法尚未在工程实际中大量使用。现阶段各 主要研究机构进行的工作依然是逐步完善在二维设计方法的基础上建立起的离心压缩 机计算机辅助集成设计系统。 上述介绍的设计方法主要针对的是离心压缩机叶轮的设计。目前，离心压缩机叶 轮设计已经发展到了一个很高的水平。但决定离心压缩机效率高低的因素绝不仅仅只 是叶轮一个因素，而是有很多因素。包括扩压器、蜗壳等。因此，要想进一步改善离 心压缩机性能，除了要改进离心压缩机叶轮设计方法外，还要进一步改善与压缩机性 能密切相关的一些部件的设计方法。研究结果表明，从叶轮流出的气体，在经过扩压 器后，即可使压缩机效率下降9 3 0 l 。普遍认为产生这种现象的原因是气流在离心力和 哥氏力作用下使叶轮出口流场分布很不均匀，低速e 流稗：轮缘和吸力面形成的角区内 聚集，导致“射流一尾迹”流动现象的形成。这些气体在进入扩压器前和进入扩压器 后，必然会发生流动分离，从而产生流动损失。可见，叶轮和扩k 器之间的匹配对压 缩机效率的影响是非常大的。近年来，国内外有很多学抒对叶轮与扩压器相互作用的 人连理1 人学硕“开究生学位论文 非稳态流动进行了人量的研究，并取得了可喜的成果。2 0 0 1 年，e u g e d a 研究了不同叶 片扩压器对叶轮的| 定常影响 3 4 j ，认为叶轮机械中湍流、尾逊、进【速度扭曲及旋转 失速、喘振等都能引起非稳态现象，并且对扩压器内的非稳态流动现象进行了形象的 说明。国内对于这方面的研究还很少，且为数不多的研究大都集中在数值模拟方面。 2 0 0 1 年，西安交通大学的刘立军等人就离心压缩机内由于叶轮与叶片扩压器的相互作 用引起的非定常干涉流动对整级内部流动的非定常影响进行了深入研究【3 ”，他认为速 度场的非定常特性主要表现在叶轮与扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处， 在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。而压力脉动同时向流道的上下游传播，在叶轮和 扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。中科院工程热物理研究所的赵晓路等 人引入确定应力模型和改进的计算域延伸方法计算了离心压缩机内部流场1 ，实验和 数值模拟的结果均表明：离心叶轮和叶片扩压器间的非定常干扰主要集中在无叶区和 半无叶区，由于粘性和二次流的强烈作用使非定常干扰迅速衰减。从上面的研究中， 我们可以得到一些相同或相似的规律：扩压器叶片与叶轮之间径向间隙的减小会增强 流动的非稳定性；叶轮与扩压器叶片的安装角度对非定常流动产生重要影响；叶片扩 压器入口段的非稳态流动特征显著，但衰减迅速。通过对上述研究的分析，不难看出， 叶片与扩压器相互作用的非稳态流动仍存在着不少令人困惑的f , 7 题，有必要进一步研 究网。 本文所研究的离心压缩机窄通道级主要针对大、中型高压比多级离心式压缩机的 末级。这类压缩机往往具有高压缩比、小容积流量的特点，特别是高压缸后面几级的 流量系数可以小到中= o 0 0 4 的量级或更低。这种级的多变效率可降低到0 6 以下，原因 在于这种级的叶轮及出口宽度( 相对宽度b 2 d 2 = o 0 5 3 ) 都比较狭窄，粘性效应强烈， 因而气动损失明显，导致了离心压缩机窄通道级的性能明显低于大流量或中等流量的 压缩机。此外，叶轮与固定件问的漏气、轮盘鼓风等损失所占的相对比例增加也是重 要方面之一。为了改善整机的性能，就要依靠掌握离心压缩机窄通道级各通流元件的 内流特点，选择最佳的子午流道和叶型等，对其结构进行优化设计，使叶轮与静止元 件相互影响形成一个匹配合理综合体，以达到尽量减小流动损失，提高离心压缩机窄 通道级整级性能的目的。对窄通道级来说，现今国际同类水平的压缩机多变效率与之 相比要高出十个百分点之多，在激烈的国际市场竞争中，如此大的差距必然使我国的 压缩机产品处于劣势。为了提高国际市场的竞争能力，保持技术进步，必须在全面分 析研究引进技术的基础上丌发出一套具有当代水平的离心压缩机窄通道缴。因此，本 文对离心压缩机窄通道级内部流场进行准确的数值模拟，从流场分析的角度对其结构 进行优化设计改造，提高效率，这也是本文研究的现实意义所在。 赵锐：呵逆风机叫掣蹬计及离心压缩机窄通道级研究 f 3 计算流体力学( c f d ) 及n u m e c a 软件简介 本课题对所研究的地铁用可逆轴流风机叶型设计及离心压缩机窄通道级性能研究 的所有工作部是存所建立的计算流体力学( c f d ) 计算平台| ! 二进行 f j 。凶此有必要对 c f d 技术在本文研究的叶轮机械领域中的应用做一个简要的介绍。 计算流体力学( c f d ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是一门用数值计算方法直接 求解流动主控方程( e u l e r 或n a v i e r s t o k e s 方程) 以发现各种流动现象规律的学科。它 综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。 计算流体力学( c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。在 c f d 没有应用到叶轮机械设计中之前，对叶轮流道内的流场分析主要依靠风洞试验和 理论分析。理论分析方法是用解析的方法来求流体力学方程的精确解。由于流体力学 方程组特别是高速流动，其主控方程是多自变量的非线性偏微分方程组，对这类方程 组，经典的偏微分方程组理论几乎无能为力。因此，理论分析的方法在叶轮机械设计 中的应用范围非常有限。风洞试验一直是流体力学研究和叶轮机械设计的重要手段， 此种方法的优点是获得的数据可靠，直观，但是试验费用高，周期长，只能在小的雷 诺数和马赫数范围内试验，而且测点数有限，数据采集受到试验时间的限制，难以观 察流场的细微结构和历史，另外，x l 洞试验不能模拟许多重要状态，如粘性效应、化 学反应和非平衡状态等。因此，可以说，理论分析方法的简陋和风洞试验的昂贵，推 动了c f d 的迅速发展p ”。 近年来，随着快速、大容量电子计算机和数据处理系统的应用以及计算流体力学 这门学科经过半个世纪的迅猛发展，c f d 技术已经在叶轮机械设计中得到广泛应用。 在叶轮机械设计中采用c f d 技术可以完全控制流体的性质，对流场不产生干扰，可以 获得计算域内全部计算信息，并且可以节省大量的人力物力投入，周期短，可完全重 复，在计算中发现问题便于修改，另外，也可以避免设计经验不完全转移带来的风险。 目前，c f d 技术已发展到可以替代部分研究性试验，国内外已形成了许多数值仿真实 验室【3 9 l 。在气动设计中采用c f d 方法已经成为提高叶轮机械效率和级负荷，减少级数 的关键技术手段，相应的一大批c f d 软件在叶轮机械设计中发挥着重要的作用。c f d 软件采用一些比较成熟的标准的计算方法，使设计更加方便、快捷、成本低，并且可 以进行二维以上的复杂流面的计算。 虽然c f d 软件在9 0 年代初期就以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话式的 界面操作以及直观清晰的流场显示引起人们的广泛关注，其发展在西方【薹| 家得到丁业 界和政府部fj 的有力支持，但受种种条件、因素的限制与影响，c f d 软件存我嗣的引 进推广比较晚，汽到最近儿年卅有较夫起色。世界上比较蕾名的c f d 商、i p 软件f l u e n t ， 人迕胖1 人学硕十研究7 t 学位论文 c f x ，p h o e n i x ，s t a r c d ，n u m e c a 等先后在中国设立代理，发展用户，于是国内也f j 现了c f d 商业软件群雄逐鹿的局面1 4 0 l 。 本文进行数值计算采用的c f d 商业软件n u m e c a 是专门用于叶轮机械设计的流 场仿真数值模拟软件，是国际上公认的压缩机等叶轮机械内部流动数值分析的首选软 件，其代表着c f d 商业软件中的后起之秀。n u m e c a 软件的前身是布鲁塞尔自由大学与 瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中心( e s a ) 开发的航天飞行器计算软件 “e u r a n u s ”，后来发展为通用性的商业软件，9 0 年代中期才开始推向市场。由于它 的前身是计算高速流动的专业级软件，从而软件的核心部分一离散格式与解法以及与 求解密切相关的多重网格等方面的质量很高。其中心格式采用了j a m e s o n 人工粘性显格 式【4 l j ，迎风格式采用基于t v d 与通量差分分裂方法的高精致格式，方程求解采用多阶 r u n g e k u t t a 法，低速计算采用预条件法等，并采用多重网格与隐式残差光顺法等加速收 敛技术。该软件的主体部分是在9 0 年代初编制的，这些技术体现了当时c f d 的最高水 平。n u m e c a 后来重点发展其叶轮机械流动计算模块，由于其高速流动计算的性能很 强，从而对于包括跨、超音速区的高速压缩机、汽轮机等的模拟具有明显优势。 由于n u m e c a 软件的针对性比较强，因此在处理复杂空间任意几何形状的网格生 成的过程中就存在较大的缺陷，任意空间几何结构的网格生成步骤比较复杂。相对于 f l u e n t ，s t a r - c d 等这些发展时间比较长的通用流体计算软件而言，n u m e c a 软件中的 多相流动，化学反应等复杂流动计算模块的功能还不完善【4 “。现在n u m e c a 公司j 下在 逐步解决这些不足，在新版本的n u m e c a 软件中，在湍流模型、数值算法、复杂结构 网格生成、复杂流动计算等方面进行了改进，并开发了其非结构网格模块。 虽然c f d 技术在叶轮机械设计和研究中发挥了很大的作用，但也不是万能的。叶 轮机械的工作过程是非常复杂的，各种假定正确与否，还需实验的验证：计算的精确 性还有赖于边界条件的恰当取定，而这些边界条件许多是通过实验所获得的经验公式、 统计数据和图表，计算的初始值多数也取自实验结果。因此，实验工作是数值计算的 前提和基础，而数值计算又是实验工作的进一步深化和补充，相辅相成。随着计算流 体力学的不断发展，以及实验和测试手段的不断完善，c f d 技术必将在压缩机等叶轮 机械的设计和研究方面发挥越来越犬的作用1 4 ”。 赵锐：可逆风机n | j i o 殴计及离心胝缩机窄通道级研究 1 4 论文的主要工作 本文的主要工作分为两个部分， 是针对地铁用轴流风机设计了新型双头双机翼 反向不对称s 型叶型，这种叶型的轴流通j x l 机，在保证了正向通j x l 的要求的情况下， 可以通过直接改变电机的旋转方向，快速地实现反风，并且具有较高的反向通风性能： 二是对离心压缩机窄通道级中各个通流元件进行结构上的优化设计，提高整级的性能。 这两部分都是利用三维流体计算软件n u m e c a ，对其内部流动情况进行数值模拟，并 且在数值计算的结果上进行分析，找出导致其效率低的原因，并进行相应的结构优化， 达到显著提高其效率的目的，进而提高产品的性能，创造更高的经济效益和社会效益。 全文内容共分五章，各章节主要内容如下： 第一章概述了课题的研究背景和发展情况，计算流体力学技术的应用，并对本文 数值计算采用的n u m e c a 软件做简要的介绍。 第二章对本文在数值模拟中所涉及的相关理论知识，包括控制方程、湍流模型、 空间离散、差分格式、网格划分、多重网格和时间推进法等进行了简要的介绍，由此 建立起轴流风机以及离心压缩机窄通道级内部流动数值分析系统，为后面建立其内部 流动数值分析平台提供理论基础。 第三章利用三维流体计算软件n u m e c a ，对地铁用轴流风机的叶轮内部流场进行 流动数值模拟和优化设计。采用一种效率比较高的普通风机叶片翼型作为原始翼型， 按不同长度比例缩小原始翼型，反向搭接在原始翼型的出口圆弧处，经过光滑处理， 保证叶型表面的流线形后，构成本文所研究的新型双头双机翼反向s 型不对称翼型。 分析缩放比例不同的可逆式轴流风机叶型的数值模拟结果，比较各种叶型的流场分布 规律，寻找到一种适合于设计工况下f 、反双向吹风的双头双机翼反向不对称s 型叶 型，能够满足地铁用可逆轴流风机的要求。并且针对这种翼型形成的轴流风机，通过 改变进口流量、叶项间隙和弦长的大小，束分析这些因素对流动性能的影响。 第四章对离心压缩机窄通道级的各个元件进行三维粘性数值计算模拟和优化，从 流场分析的角度找出原窄通道级在结构设计中存在的问题，并有针对性地进行几何结 构的优化改进。结构优化的最终结果使离心压缩机窄通道级整级的性能得到了明显的 改善，级多变效率提高了5 7 个百分。一k 第五章总结了全文所完成的一l 作利取得的成果，得到了一些与设计优化相关的有 益结论，并对未来工作提出