轴流风机的设计研究及CAD软件开发.pdf

9 9 9 5 7 9 洳：j - 硕士学位论文 论文题目：垫速丛垫鱼选盐塑塞墨g 望垫盐亚塞 作者姓名：鲎廛里 指导教师叠童塑塾握 学科( 专! 此)渣堡应堂 所在学院垫拯量丝盈三蕉茎瞳 提交日期三室窒盍生二旦 浙江大学硕士学位论文 摘：要 随着国民经济的发展，轴流式通风机的应用日趋广泛，除了冶金、矿山、纺 织、电力等风机应用传统行业外，经济建设的一些新领域，如高层民用建筑、地 铁、隧道等等，都表现出对轴流风机的强烈需求。 弯扭叶片成型的原理在轴流式通风机的设计中得到了大量的应用，根据该原 理设计的风机具有流量大、压头高、能耗省、噪声低和运行稳定等特点。但是由 于没有建立起完整的从叶片造型到气动计算的轴流风机设计计算系统，因而在工 程实际应用中受到了很大限制，设计工作仍然存在很大的经验性和盲目性。 针对上述缺陷，本文在扭曲叶片理论基础上提出了一种全三维叶片造型设计 的新方法，通过探索轴流风机气动参数和叶片几何参数的相互关系，推导了基于 实际工况下完整的气动计算方程，使得轴流风机的正、反命题和混合命题阆题都 可以得到解决。这样，从几何造型到气动计算，本文都给出了一个完整的解决方 案，给设计带来了便利。 基于提出的轴流风机设计理论，本文还自主开发了一套轴流风机c a d 软件 系统，利用该系统可以简单快捷地实现轴流风机的造型设计、气动计算及性能测 试工作，方便了实际工程设计，大大提高了设计效率，具有较强的实用价值。 本文的设计理论及开发软件在工程实际中已经得到了应用。从论文中列举的 两个实际算例来看，风机的设计结果符合设计要求，气动计算结果和模型试验结 果也比较吻合，这样就表明了本文设计思想的正确可靠性，也证实了基于本文设 计思想的正命题计算与反命题设计具有一致性。 关键词：轴流风机，扭曲叶片，叶片三维造型，a u t o c a d 二次开发 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m i c ，t h ea x i a lf a n sa r em o r ew i d e l yu s e d b e s i d e st h ec o n v e n t i o n a li n d u s t r y , t h ed e m a n d so fa x i a lf a n sa r ea l s oi n t e n s ei nt h e n e w a p p l i c a t i o na r e a , s u c h a sh i g h r i s eb u i l d i n g s ，s u b w a y , t u n n e l ，e t o t h ep r i n c i p l eo fs w e p tb l a d ei s w i d e l ya p p l i e dt ot h ed e s i g no fa x i a lf a n s a c c o r d i n gt ot h e o r y , d e s i g n e df a n sh a v et h em e r i t so fl a r g ef l u x , h i g hp r e s s u r e ，l o w n o i s e ，e n e r g ys a v i n ga n dr u ns t e a d i l y b u tt h ec o m p l e t eb l a d es h a p i n ge q u a t i o n sa n d a e r o d y n a m i ce q u a t i o n sa r en o tp u tf o r t h , t h et h e o r yi sg r e a t l yl i m i t e di np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wm e t h o df o rt h es w e p tb l a d es h a p i n go fa x i a lf a n f i r s t l y b a s e do ns h a p e db l a d e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a n ss t r u c t u r ea n d a e r o d y n a m i cp a r a m e t e r s a r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h ef o r m u l a sf o rc a l c u l a t i o no f a e r o d y n a m i cp a r a m e t e r sa r ed e r i v e d s ot h i sn e wm e t h o db r i n g sc o n v e n i e n c et ot h e d e s i g no f a x i a lf a na n dc a l ls o l v eb o t hd i r e e tp r o b l e ma n di n v e r s ep r o b l e m a c c o r d i n gt ot h em e t h o dm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dac a ds y s t e m o fa x i a lf a n w i t ht h i ss y s t e mw ec a nc a r r yo u tt h es h a p i n gd e s i g n , a e r o d y n a m i c c o m p u t a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s to f a x i a lf a n sq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y t h i sm e t h o da n ds o f t w a r es y s t e mi su t i l i z e di nt h ep r o j e c tc a s e s f r o mt h ec i t e d c a s e s ，t h ed e s i g nr e s u l t sm e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sw h i c ha r es e ti na d v a n c e ， a n dt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so ff a n sa e r o d 3 7 n a m i ec h a r a c t e r i s t i c sa l s oa g r e ew e l l w i t ht e s t i n gr e s u l t s s ow ec a l lc o n c l u d et h a tt h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a sa g o o dr e l i a b i l i 锣a n da c c u r a c y k e yw o r d s ：a x i a lf a n s ，s w e p tb l a d e ，b l a d es h a p i n gd e s i g n ，a p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n to f a u t o c a d 2 学! 尘。p 、s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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过的 研究成果。也不包含为获得滥江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：带瘴五签字日期：净6 年；月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑 江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘 鲎一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；膨鑫卫 导师签名 谚例 f 签字日期：洲年；月，日签字日期：游；盯日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 当前轴流风机在矿山通风、冶金、石油化工、航空航天、航海、能源和车辆 工程等领域广泛应用。通常轴流风机按其升压大小可分为低压轴流风机( 升压在 4 9 0 p a 之下) 和高压轴流风机( 升压在4 9 0 - 4 9 0 0 p a 之间) 。其工作原理是气体从集流 器进入，通过叶轮使气体获得能量，然后流入导叶，导叶将一部分偏转的气流动 能转变为静压能，最后气流通过扩散筒将一部分轴流气流动能转变为静压能，然 后从扩散筒流出。相对离心式通风机而言，轴流式通风机具有流量大，体积小， 压头低的特点。 轴流式通风机有着悠久的历史，1 9 世纪就已经应用于矿山和冶金工业上， 但是由于当时工业水平的限制，理论研究也没有很好的展开，风机的性能比较差， 当时风机的全压为9 8 2 9 4 p a ，而效率仅达1 5 2 5 。到了二十世纪初期，由于航 空工业的迅速发展，对机翼理论进行了广泛的研究，其研究结果大大促进了轴流 式风机的发展【。 然而，由于轴流风机内部是一个复杂的三维流动，有关叶型表面的分离流动 和叶型后的尾流情况仍在研究之中，风机的设计过程中仍然需要采用一定的经验 公式，特别在叶型的选择上仍然存在着一定的盲目性另外工程实际中正命题计 算得到了较广泛的应用，而反命题设计、混合命题计算的研究起步较晚，应用还 相对较少。本文在扭曲叶片理论基础上提出了一种全三维叶片造型设计的新方 法，通过探索轴流风机气动性能与几何结构的相互关系，使得正、反命题和混合 命题问题都可以得到解决。 由于轴流风机的设计参数变量相对较多，气动计算也比较复杂，另外还有部 分参数的不确定性，如果使用传统方法设计一套的轴流风机系统，设计研究周期 要求比较长，已经跟不上当前科技快速发展韵时代。目前市场上关于通风机的选 型已有较多的软件系统可供使用，但在设计方面，国内相关软件仍然比较缺乏， 智能化程度也有待提高。 浙江大学硕士学位论文 因此利用计算机高速运算的性能，将计算机软件开发与轴流风机系统设计相 结合，开发一套轴流风机c a d 软件系统，对于增加轴流风机设计的快速性、灵 活性与高效性，具有重要的实用价值和工程意义。本文考虑到风机性能测试的需 要，添加了风机性能测试模块，利用传感器、数据采集卡等现代化测试工具实现 性能试验的自动化，并可以在线得到试验风机的相关性能参数和性能曲线图。这 样这套轴流风机c a d 软件系统集成了从设计计算一叶片造型一工程出图一性能 测试的整个设计全过程，从而给轴流风机的设计带来了方便，大大提高了设计效 率。 1 2 轴流风机的结构简介 轴流式通风机是用于输送气体的机械，从能量转换的观点来看，它是把原动 机的机械能转换为气体能量的一种机械。由图1 1 ( a ) 可见，轴流风机由前后网罩、 前后导叶、导流罩、叶轮、电机、整流锥、前后管道附件( 如集流器、扩散简) 等几个部件组成。实际情况中，可以根据需要进行一些结构上的简化，比如电风 扇( 图1 - 1 ( b ) ) 、变压器冷却风机( 图1 - 1 ( c ) ) 等就是典型轴流风机的一些常见简 化形式。 ( b ) 电风扇 ( a ) 结构示意图 图1 - 1 轴流风机示意图 2 ( c ) 变压器风机 浙江大学硕士学位论文 轴流风机各个部件有着一定的用途：其中前后网罩可以起安全防护作用；前 导叶主要用来加速气流，使进气气流发生偏转；导流罩可以使进口气流平滑的进 入叶轮，降低进口阻力；后导叶与整流锥不仅可以起导流作用，而且可以提高风 机静压及风机效率；集流器的作用是加速气流，保证进气速度场均匀，提高风机 效率。 1 3 轴流风机的发展历程与研究现状 1 3 1 发展进程 轴流风机的雏形螺旋桨式风车，早在古代，我国劳动人民就已经制造并使 用了，然而由于历史的原因，当时轴流风机的技术并没有得到很好的发展。直到 2 0 世纪3 0 4 0 年代，由于大型矿井中通风的需要，轴流通风机开始获得广泛应用， 轴流风机技术也进入了快速发展的阶段。5 0 年代中期，首次制成运行中动叶可 调的轴流风机，并率先在欧洲推广使用。8 0 9 0 年代，采用弯扭叶片的轴流风机 在英、美等发达国家得到了普遍应用。最近十年来，随着计算机性能的提高，运 用c f d 方法对流体机械内部流场进行数值计算分析，为研究与设计提供指导， 也逐渐成为一种重要的技术手段。 。 在研究技术人员几十年的不懈努力下，我国的现代风机产品经历了测绘仿 制、参考国外资料设计、半独立设计、独立设计、独立设计与引进技术相结合五 个技术发展阶段。当前，具备高压力、大流量、高效率、低噪声等优秀性能的通 风机不断地被研制出来，一些产品技术也达到了世界先进水平【2 】。 1 3 2 研究方向 随着科学技术的进步和国民经济的发展，工程生产中对流体机械的性能要求 越来越苛刻，流体机械的效率和运行的可靠性成为衡量流体机械的重要参数【3 l ， 高效率、大流量、高压头、低噪声已经成为当前轴流风机的主要研究方向。 轴流风机等流体机械是给流体输送能量的机械，这种能量的传递过程是在叶 轮的流道中逐渐进行的，所以进行能量转换的基本元件一叶片的形状对这一加功 过程必然会产生影响【4 】现代流体机械的发展也表明，要提高流体机械效率，扩 大使用工况范围及提高运行的可靠性，就必须深入研究流体机械内部的流场结构 和能量传递损失的发生及其相互作用机制，为改善流体机械性能提供依据1 5 】。 浙江大学硕士学位论文 有人提出改进轴流风机设计的核心就是改进叶轮的叶片型线设计( o l 。所以各 国学者进行了大量的控制叶栅内气体流动减少能量损失的理论分析与实验研究， 提出了改变通流部分几何参数( 通道子午收缩与子午面成型方法) ，改善作功量分 布( 可控涡流型) 及采用弯叶片等措施。弯掠叶型抑制端壁边界层分离、减少内流 损失和扩大失速裕度的效能，使得弯掠叶型及其动力学的研究成为了流体机械领 域的前沿热点之一【7 j 1 3 3 研究方法 采用实验的方法对流体机械内部流场进行研究，一直以来兴久不衰，它直接 可靠地反映了流场内部情况，是流体内部流动特性研究的有效手段。而且随着传 感技术、激光技术、微电子技术的发展，卓有成效的先进测量手段不断涌现，如 粒子跟踪测量技术、熟线风速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪、火花放 电探针技术和快速响应离子技术 s l 等。这些先进测量技术在流体机械测量中的应 用，使得流动过程的测量越来越直接和精确，为流体机械的研究发展作出了很大 的贡献。 随着计算技术的发展，计算机性能的提高，计算方法的不断改进，运用计算 流体力学( c f d ) 方法对流体机械内部流场进行数值计算分析，为研究与设计提供 指导，已逐渐成为一种重要的技术手段。c f d 方法可以在一定程度上取代实物 试验，从而可以减少试验周期，降低成本另外，采用准确而可靠的算法进行数 值模拟，不仅可以获得大量的内部流场信息，研究流场的各种细节，形象地再现 流动情景，为流体机械的设计和改进提供依据；而且便于优化设计，通过改变几 何参数或气动参数，可以方便的多次进行数值实验，以获得较好的流体机械性能 【9 】【1 0 】。可以说c f d 方法为流体流动的分析研究开辟了一条崭新的途径。 解决轴流风机等流体机械的问题，现场观测、实验室模拟、理论分析和数值 计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导，才能从分散的、表面上无联系的 现象和实验数据中得出规律性的结论；反之，理论分析和数值计算也要依靠现场 观测和实验室模拟给出物理图形或数据，以建立流动的力学模型和数学模型；最 后，还需依靠实验来验证这些模型和模式的完善程度此外，实际流动往往异常 复杂( 如湍流) ，理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难，得 不到具体结果，只能通过现场观测和实验室模拟进行研究【1 1 1 。因此我们一定要将 4 浙江大学硕士学位论文 实验模拟与理论分析和数值计算结合起来，这样才能真正促进风机行业发展。 1 4 弯掠叶片的国内外研究现状 从叶轮机械诞生到现在，叶轮机械叶片的发展大致经历了三个阶段：在2 0 世纪4 0 年代以前，叶片都是做成直的。4 0 年代以后出现了扭曲叶片及相应的扭 曲叶片理论和设计方法，从此叶轮机械的效率和单台功率都有了大幅度的提高， 汽轮机单台功率可达百万千瓦，燃气轮机的功率也达1 0 万千瓦。2 0 世纪6 0 年 代初，又提出了一种新型三维叶片的弯扭联合成型【1 2 1 ，其后出现了弯掠叶型的概 念。叶片的三维弯掠造型吸引了大批学者对此进行研究，并逐渐形成了一门新的 “弯掠叶片空气动力学”分支学科。 早在1 9 6 3 年s m i t h 和y e h 【1 3 】就对弯掠叶片流道内的流动情况进行了初步的 研究，指出了弯掠叶片对流动的影响。之后l e w i s 等【1 4 】又对弯掠叶片的几何特性 与气动性能之间的关系进行了定性的研究，发现弯掠叶片对流动中涡脱落和径向 速度扰动情况都会有一定的影响。f u k a n o 等 j s , i 司则通过实验进行了正弯与反弯 叶片气动性能的比较研究，证实了弯掠叶片可以有效地改善叶片的尾流情况，从 而达到降低噪声的目的。八十年代初期k e r s c h e n 和e n v i a 1 t 1 明又给出了如何确定 弯掠叶片沿叶片弯掠角度分布的理论方法，通过这种方法可以明显地降低由湍流 脉动引起的噪声。 1 9 9 0 年，h a r r i s o n 1 9 】对中等折转角矩形透平叶栅中的叶片倾斜与弯曲进行了 研究。通过端壁油流显示实验得到了倾斜叶片的端壁分离线特性图( 图1 - 2 ) ，在 正倾斜侧端壁，分离线清晰，离前缘较 远，马蹄涡的分离鞍点居流道中心，马 蹄涡、通道涡形成较早，强度增大。而 在负倾斜侧端壁，分离线很弱，并且和 鞍点一样较正倾斜侧更靠近叶片前缘。 虽然流动显示表明在此端壁仍有横向流 动，角涡分离线也清晰可见，但除前缘 外，却看不到与马蹄涡或通道涡相联的 分离线。作者由此推测，在正倾斜侧大 5 图l _ 2 端壁分离特性显示 浙扛大学硕士学位论文 多数的进口附面层沿一条分离线离开端壁，因此在分离线后产生了新的比较薄的 附面层；而在负倾斜侧由于没有流体分离，所以大多数入口附面层一直沿端壁发 展，附面层相对较厚。正负倾斜侧端壁流动结构的不同有力地说明了叶片倾斜的 作用在前缘就开始了。 w 啦m 等【2 0 】同时采用数值计算与实验的方法，对采用弯掠叶片的低速轴流 风机气动与声学性能进行了研究，特别从噪声的机理上探讨了高强度进口湍流对 噪声的影响。作者根据前人提出的声学理论和气动性能理论，设计得到三种风机 模型，风机的叶片分别为长直叶片、4 0 。弯掠叶片和5 0 。弯掠叶片。通过实验 曲线发现，在相同设计工况下，不同叶片的风机静压与流量相差不大，但是在噪 声方面弯掠叶片要比直叶片显著地降低了7 d b 左右。 蔡娜与刘富斌【2 1 丑】通过实验详细比较了弯掠叶片和常规直叶片的变工况气 动性能，实验结果表明弯掠动叶不仅改善了轴流风机的气动一声学性能，而且还 切实地扩大了稳定工作范围，初步推断了动叶的弯掠特性是扩大稳定工作范围的 主要机理。另外通过对旋转失速前稳定工况点的分析，还指出了适当增加叶片弦 长可以进一步提高它的气动一声学性能，揭示了合适弦长的弯掠动叶是控制轴流 风机噪声及减少能量损失的一种有效工程方法。 赵桂杰等田】对一种具有前掠和正弯积迭线的独特压气机叶片进行了实验研 究，并与常规直叶片进行了比较。在不同位置采用五孔探针测量了两种叶栅的气 动参数并在叶片表面做了墨迹流动显示。结果表明弯掠叶栅端部损失降低而叶展 中部损失增加，但相应的端部扩压因子有所减小。此外该叶片吸力面上形成了有 助于防止低能流体在角区积聚的反c 型压力分布，改善了端壁角区内的流动并 显著降低了叶栅总损失。 s a s o k i 与b r e u g e l m a i l s 阱】实验测量了弦向倾斜和前后掠叶型对透平压缩机叶 栅性能的影响。测量表明前掠和弦向正倾斜叶型有益子性能的提高，总损失减少 了2 0 。对内流的测量还发现前掠叶片叶道内存在一个与通道涡反向输运高能 流体到端壁区的涡，它可以起到抑制角失速及减小二次流的作用。另外实验报告 了不同中线型式对端壁损失的影响，分析认为叶片弦向正倾斜使径向载荷分布发 生了有益的变化，即叶片近端壁区载荷减小，中径附近载荷增加。 i n o u e f 2 5 】报告了其设计的一种能控制端壁流动的轴流压缩机用c e f 6 浙扛大学硕士学位论文 ( c o n t r o l e d e n d w a u f l o w ) 前缘弯掠叶型，通过几种不同流量工况下c e f 叶轮和基 准叶轮的实验比较，测量结果表明；c e f 弯掠叶型抑制了小流量工况点叶道内发 生的叶根至叶顶的径向二次流，采用b l 湍流模型t v d 格式的三维n s 数值模 拟结果显示，在小流量工况点处，c e f 弯掠叶型将叶面分离点向尾缘推移，从而 抑制推迟了分离的发生 m y u n g 和b a e k 2 6 1 使用l d v 测量系统对一前掠轴流风扇出口流场在3 种不同 工况下进行了测量，测量截面分别在转子出口0 m m ，1 0 m m ，2 2 r a m 位置处。实 验捕捉到多种流动现象，指出轴流风扇后的尾迹流动是造成损失、降低效率和产 生噪音与振动的重要原因之一。在设计工况下，叶尖泄漏涡与转子压力面的边界 层发生相互作用，这直接影响了尾缘后的尾迹流动，尾迹衰减的非常快。在低负 荷( 大流量) 工况下，由于叶尖泄漏涡的影响，在压力面和吸力面附近都存在着向 内的径向流动。当负荷增加时，向外的径向速度分量增加，其最大值靠近叶顶区 域，在设计工况和高负荷工况下，轮毂涡产生向内的径向流动，由此产生的尾迹 与轮毂涡的相互作用使得靠近轮毂区域的尾迹衰减的非常快。 苏杰先和王仲奇在对弯扭叶片动力学的回顾与展望中指出，未来弯扭叶片研 究的重点方向应该是：奇点数目、奇点类型分布、极限流线形状、涡流结构、转 捩分离机理、压力场结构如压力梯度对性能的影响、减损增效机理、动静叶匹配 的串级模型的研究等【2 7 】。 德国的b e i l e r 和c a r o l u s 2 8 1 等采用三维n s 数值模拟方法，分析了使用弯掠 叶片的轴流风机内部流场。文章分别研究了叶片的周向弯曲和弦长方向的叶片掠 对流场的影响，不同情况下的数值计算结果分别与实验结果相比较，发现两者吻 合较好，证实了数值模拟的有效性，从而为弯掠叶片的设计提供了借鉴与依据， 利用该方法设计得到的前向弯掠风机具有较好的气动性能，气动噪声也控制在理 想的范围之内。 王松涛 2 9 , 3 0 1 等通过对直叶片及正弯叶片流场的数值模拟，详细研究了叶片弯 曲后对通道涡的影响，发现叶片正弯后可以抑制径向二次流动，有利于减少叶栅 内部流场中的能量损失。同时通过对涡量等值线的分析指出，与常规叶片相比， 正弯叶栅中的马蹄涡及通道涡的尺度及强度均较直叶片中的小，通道涡在结构上 也较为稳定。文章还进一步分析了通道涡结构的改变对损失的影响，并指出使通 7 浙江大学硕士学位论文 道涡在结构上变得稳定的边界条件可能有助于减少二次流损失 杨爱玲等【3 1 1 通过前掠、后掠以及径向小型轴流风扇转子流场的数值分析，研 究了掠动叶对转子气动及声学特性的影响及其作用机理，并给出了由转子尾缘旋 涡脱落而诱发的紊流噪声的声压值分布。该分布说明了前掠动叶明显改善了小型 轴流风扇转子气动及声学特性；而后掠动叶对转子的气动特性产生了负面影响。 采用前掠动叶后在转子流场内形成有利的径向压力分布，从而有效地控制了附面 层的径向窜流，这是前掠动叶改善小型轴流风扇转子气动及声学特性的根本原 因。 经过几十年的发展，有关弯扭叶片的研究工作取得了令人瞩目的成就，弯扭 叶片已经成功地应用于汽轮机、燃气轮机和航空发动机上。目前世界上几乎所有 主要的汽轮机和航空发动机生产厂家，如g e 、a b b 、a l s t h o m 、三菱、日立、 s i m e n s 、以及我国的一些汽轮机厂和大型电机厂等，都已成功地将弯扭叶片应 用于实际机组中，并投入运行，产生了重大的经济效益。但是有关弯扭叶片的研 究仍未终结，还有许多深层次的规律性问题需要去探索。王仲奇圈指出：“为了 揭示叶片弯曲降低流动损失的机理，应进行弯曲叶片的详细测量和流动显示，揭 示各种涡系结构及尺度的变化，从而能更自觉地控制边界层和各种涡系的发展。” 这无疑为人们研究认识弯扭叶片开辟了新途径。 1 5 轴流风机的设计方法， 从轴流风机的设计问题来看，主要可分为正问题计算和反问题设计两大类。 正问题计算就是给定叶轮结构参数和叶片形状，根据一定的来流及出口条件，求 解轴流风机的气动性能参数；而反问题设计就是以保证风机的气动性能为出发点 来设计叶型型面与叶轮的结构参数。一个好的设计方案还应该兼顾到生产工艺， 运行效率等其他因素。 工程实际中大多数轴流风机的设计，其出发点和归宿点都是反问题设计，也 就是根据进气条件与设计参数，首先反命题设计得到相应的叶轮，外壳的几何形 状及尺寸，然后通过正问题计算对设计得到的形状，进行流动状况和气动性能的 计算分析，以检验反问题设计是否合理，并根据计算结果修正先前设计的叶型结 构。其实质是一个反一正问题不断迭代，以达到满足工程实际要求的过程。 8 浙江大学硕士学位论文 1 5 1 工程设计方法 风机叶片的翼型型线一般都很难用一个简单的函数来表示，气流通过的流道 形状比较复杂，即使作相当的简化，由此直接建立的数学模型仍然无法得到通用 的解析方法，因此早期常采用工程经验设计方法。轴流风机的工程设计方法主要 有孤立翼型法和叶栅法两种，孤立翼型法是借助飞机机翼的研究结果，利用孤立 翼型的风洞试验资料和试验数据，来进行设计；而叶栅法则根据叶栅理论和叶栅 风洞的试验成果进行设计。 工程设计方法都是根据相似理论和已有的实验数据和图表，依照经验公式， 确定风机的基本参数，由此试制样机或模型，进行气体动力学试验，由试验数据 结果根据经验修改某些参数，当性能参数达到设计的要求，就可以认为完成设计。 但是由于实验装置比较复杂而且样机制造成本较高，实验又只能在有限的范围内 模拟，使得实验研究受到了很大的限制。因此该方法的设计效率低，设计周期也 较长，而且设计者的经验丰富与否也直接影响到设计结果的优劣。 1 5 2 计算机辅助设计方法 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 系统把计算机图形学与 仿真技术有机结合起来，借助计算机强大的运算能力，来完成设计过程中许多重 复的、繁琐的和计算量较大的部分工作，而只需要设计人员专注于关键性的设计 步骤。经过数十年的发展，c a d 技术已经从二维平面图形发展到三维实体模型， 并结合仿真技术，实现可视化设计 轴流风机的c a d 技术借助计算机对风机内部的流动进行数值模拟，在一定 程度上取代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的。近年来由于计算机技 术水平的飞速发展，计算流体力学( c f d ) 的研究和应用取得了很大的进展，有限 差分、有限元及边界元等算法在流体力学中的应用取得了许多研究成果，数值模 拟的可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，计算结果给设计和改进风机提供 了可靠的依据。 国外对风机的c a d 技术已经做了大量的工作，出现了许多用于商业应用的 c a d 软件，较著名的有a n s y s 公司的c f x 流体动力学分析软件该软件由很 多模块组成，其中t u r b o 模块可以方便地用于风机设计；用户可以通过修改已有 设计或依靠b l a d e o e n 提供的工具进行建模，设计各种旋转或静止的新型叶片元 9 浙江大学硕士学位论文 件，并生成相应的叶栅通道网格，使用全隐式多网格耦合求解技术进行求解，该 模块广泛适用于如通风机、鼓风机、导流轮、泵、压缩机、涡轮机、扩压机、涡 轮增压机等叶轮机械的设计与分析。c f x 软件还提供了可编程的后处理手段， 以便对计算结果进行二次处理，它构成了一个从设计到分析的完整系统，其中几 何造型、网格生成、边界条件确定、结果后处理部分完全是参数化的，因此尤其 在许多类似方案需要做快速分析和比较的时候，它是一种行之有效的手段。 目前我国风机c a d 的研究工作与国际先进水平的差距还比较大，大型生产 企业一般直接引进使用成熟的国外的c a d 和c f d 软件进行设计或改进，而小型 企业由于技术力量薄弱，一般无力使用c a d 计算，只是进行简单的设计甚至是 仿制成熟产品。另外由于成本问题，加上风机类产品的更新换代速度并不快，那 么为完全采用c a d 技术而投入大量的资金也是不切实际的。正如文献【3 3 1 所述， 由于当前中小型风机厂技术力量不强，造成大型软件的许多功能都无法开发利 用，而科研院校又往往注重于前沿或者复杂局部问题的研究和解决，科研成果还 没有系统的转化成为工程实用的c a d 软件，所以我们应该走企业与学校合作开 发风机设计软件的道路。 从国内公开的关于风机c a d 的研究文献也可以看出，不是关注于具体的问 题解决或单个事例的解决方案，如叶片造型，就是简单的将工程方法步骤直接映 射为程序流程。因此，利用c a d c f d 技术的结合以及相应软件系统的集成来实 现流体机械产品开发，还需要迸行大量的工作，尤其是在设计过程组织，系统之 间的集成以及软件的易操作性等方面都需要不断的完善和发展。同时我们也应该 看到集计算机辅助设计、绘图及制造于一体的计算机辅助系统具有广泛的工程应 用前景，也必将成为风机行业未来的发展方向m 。 1 6 本文的主要工作 根据课题的要求，本文的主要任务是将现有的轴流风机设计理论进行推广， 提出全三维叶片造型设计新方法，深入探索轴流风机气动参数和叶片几何参数的 相互关系，推导实际工况下的气动性能计算方程，从而整理得到完整的全三维轴 流风机设计方法。 基于提出的轴流风机设计理论，本文自主开发了可用于工程应用的轴流风机 浙江大学硕士学位论文 c a d 软件系统，该系统具备叶片造型、气动设计和性能测试三大功能，能够给 轴流风机的设计带来便利j 参考文献 1 李庆宜通风机北京：机械工业出版社，1 9 8 1 9 2 乐庚熙我国风机工业的三十五年( 一) 通风机的发展风机技术，1 9 8 4 ， 6 3 ( 5 ) ：1 - 1 5 3 a d a m c z y kjj ，c e l e s t i n aml ，g r e i t z e rem t h er o l eo ft i pc l e a r a n c ei n h i g h - s p e e df a ns t a l l a s m ej o u m a lo f t u r b o m a e h i n e r y , 1 9 9 3 ，11 5 ( 1 ) ：2 8 3 9 e 4 张景松，倪向臣轴流通风机叶片形状对作功规律的影响风机技术，1 9 9 8 ， 4 ：1 2 1 4 。 5 d e n t o njd l o s sm e c h a n i s m si nt u r b o m a c h i n e s a s m ej o u r n a lo f t u r b o m a e h i n e r y , 1 9 9 3 ，1 1 5 ( 4 ) ：6 2 1 - 6 5 1 6 戴韧轴流风机薄板叶型设计方法的比较流体机械，2 0 0 1 ，2 9 ( 3 ) ：1 4 ，2 3 2 4 7 郑立捷前缘弯掠轴流转子内流特性的三维数值分析华中科技大学硕士论 文武汉：华中科技大学，2 0 0 3 8 8 m a i l a e hr ，l e h m a n ni ，v o g e l e rk r o t a t i n gi n s t a b i l i t i e si na na x i a lc o m p r e s s o r o d g i n a t i n g f r o mt h e f l u c t u a t i n gb l a d e 砸v o r t e x a s m ej o u r n a lo f t u r b o m a c h i n e r y , 2 0 0 1 ，1 2 3 ( 7 ) ：4 5 3 - 4 6 0 9 傅德薰，马延文计算流体力学北京：高等教育出版社，2 0 0 2 7 1 0 赵兴艳，苏英明，张楚华等c f d 方法在流体机械设计中的应用流体机械， 2 0 0 0 ，2 8 ( 3 ) ：2 2 2 5 1 1 朱仁庆，杨松林，杨大明实验流体力学北京：国防工业出版社，2 0 0 5 5 1 2 f i l i p p o vg a ，w a n gz h o n g q i t h ec a l c u l a t i o no f a x i a ls y m m e t r i cf l o wi na n t u r b i n es t a g ew i t hs m a l lr a t i oo f d i a m e t e rt ob l a d el e n g t h j j o u r n a lo f m o s c o w p o w e ri n s t i t u t e 1 9 6 3 ，( 4 7 ) ：6 3 - 7 8 1 3 】s m i t hlh y e hh s w e e pa n dd i h e d r a le f f e c ti n a x i a l f l o wt u r b o m a c h i n e r y a s m ej o u r n a lo f b a s i ce n g i n e e r i n g , 1 9 6 3 ，8 5 ：4 0 1 - 4 1 6 1 4 l e w i srlh i l ljm t h ei n f l u e n c eo fs w e e pa n dd i h e d r a li nt u r b o m a c h i n e r y 浙江大学硕士学位论文 b l a d er o w s j o u r n a lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c i e n c e 1 9 7 1 ，1 3 ( 4 ) ：2 6 6 2 8 5 1 5 f u k a n ot ，k o d a m a y n o i s e g e n e r a t e d b y l o w - p r e s s u r e a x i a l f a n - i i ：e f f e c t s o f n u m b e ro f b l a d e s j o u m a lo f s o u n da n dv i b r a t i o n 1 9 7 8 5 0 ：7 5 - 8 8 1 6 f u k a n ot t a k a m a t s u y t h ee f f e c t so f 啦一c l e a r a n c eo nt h en o i s eo f l o w p r e s s u r e a x i a l a n d m i x e d f l o w f a n s j o u r n a l o f s o u n d a n d v i b r a t i o n 1 9 8 6 ，1 0 5 ( 2 ) ： 2 9 1 3 0 8 1 7 k e r s c h e nej n o i s eg e n e r a t i o nb yaf i n i t es p a ns w e p ta i r f o i l a i a ap a p e r 1 9 8 3 ，n o8 3 0 7 6 8 1 8 e n v i ae 。k e r s e h e nej n o i s ep r o d u c e db yt h ei n t e r a c t i o no f ar o t o rw a k ew i t h as w e p ts t a t o rb l a d e a i a ap a p e r1 9 8 4 ，n o8 4 - 2 3 2 6 1 9 h a r r i s o ns t h ei n f l u e n c eo fb l a d el e a no nt 呱b i n el o s s e s a s m ej o u r n a lo f t u r b o m a e h i n e r y , 1 9 9 2 ，1 1 4 ( 1 ) ：1 8 4 1 9 0 2 0 w r i g h t , h ，s i m m o n s ，we b l a d es w e e pf o rl o w - s p e e d a x i a lf a n s j o u r n a lo f t u r b o m a c h i n e r y 1 9 9 0 ，1 1 2 ( 1 ) ：1 5 1 1 5 8 2 1 蔡娜，钟芳源弯掠动叶扩大稳定工作范围的实验研究航空动力学报， 1 9 9 6 ，1 1o ) ：2 2 9 2 3 2 2 2 究 2 3 刘富斌，杜朝辉，钟芳源轴流通风机动叶前弯对扩大稳定工况的试验研 风机技术，1 9 9 9 ，1 5 4 ( 6 ) ：5 - 9 z h a og u i j i e ，c h e nf u , s o n gy a n p i n g ，w a n gz h o n g q i e x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f s w e p t - c u r v e db l a d e c h i n e s ej o u r n a lo f a e r o n a u t i c s 2 0 0 4 ，1 7 ( 3 ) ：1 3 6 1 4 1 2 4 s a s a k it b r e u g e l m a n sec o m p a r i s o no fs w e e pa n dd i h e d r a le f f e c t so n c o m p r e s s o r c a s c a d ep e r f o r m a n c e a s m ej o u m a lo ft u r b o m a c h i n e r y , 19 9 8 ， 1 2 0 ( 3 ) ：4 5 4 4 6 4 2 5 i n o u em ，k u r o u m a r um ，e ta 1 c o n t r o l l e d - e n d w a l l - f l o wb l a d i n gf o rm u l t i s t a g e a x i a lc o m p r e s s o rr o t o r a s v i et u r b oe x p o ，1 9 9 7 ，9 7 - g t - 2 4 8 2 6 m y u n gh j ，b a c kjh m e a nv e l o c i t yc h a r a c t e r i s t i c sb e h i n daf o r w a r d s w e p t a x i a l - f l o wf a n j s m ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a l ，s e r i e sb ，1 9 9 9 ，4 2 ( 3 ) ：4 7 6 - 4 8 8 2 7 苏杰先，王仲奇弯扭叶片动力学一回顾与展望中国工程热物理学会第 浙江大学硕士学位论文 7 届热机气动热力学学术会议论文集，杭州1 9 9 8 ，m ：3 9 - 4 6 2 8 b e i l e rm ，c a r o l u st c o m p u t a t i o na n dm e a s u r e m e n to f t h ef l o wi na x i a lf l o w f a n sw i t hs k e w e db l a d e s a s m ej o u r n a lo f t u r b o m a e h i n e r y1 9 9 9 ，1 2 1 ( 1 ) ：5 9 - 6 6 2 9 王松涛、吴猛、王仲奇、冯国泰通道涡稳定性及对损失的影响工程热 物理学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ；4 2 5 4 2 9 3 0 王松涛，吴猛，冯国泰，王仲奇正弯叶片降低