高修磊/沈陽發(fā)動機設計研究所

王英鋒杜海浪/南京航空航天大學能源與動力學院

基于葉片排特性的軸流風機一維設計

高修磊/沈陽發(fā)動機設計研究所

王英鋒杜海浪/南京航空航天大學能源與動力學院

軸流風機的工程設計過程是一個反復設計和擇優(yōu)的過程，尋求一種能快速有效的進行風機修改并擁有可信的計算結果的驗算方法就顯的十分重要。根據風機設計階段的CFD驗證結果和風機設計進出口設計要求，基于葉片排特性進行風機的一維性能計算與設計形成了風機的一維設計方法。通過工程實際中風機的計算與優(yōu)化設計驗證了該方法的實用性與可靠性，證明了該一維設計方法具有十分重要的工程應用價值。

軸流風機；葉片排特性；流場分析；一維設計

1 概述

一個世紀以來，伴隨著氣動熱力學、計算流體動力學的發(fā)展，軸流風機的設計系統(tǒng)在不斷進步，帶動著風機設計水平的不斷提高。現階段風機設計的主要內容包括：一維草案設計、S2流面氣動設計、S1流面氣動設計與葉片造型、S2流面氣動驗算和三維CFD氣動驗算[1-2]。

圖1 多級軸流風機氣動設計流程圖

由圖1我們可以清楚地看到在現階段的風機設計流程中，三維的CFD氣動驗算已經成為了不可或缺的一部分，并且在實驗驗證之前，已經把CFD計算的結果作為較為可信的計算結果。但是，眾所周知風機的設計是一個需要反復修改和驗證的過程，而工程應用上又對風機的設計周期和性能有著嚴格的要求。對于風機設計者來說，風機設計的反復修改設計工作不僅比較繁瑣，而且在參數修改方面完全依靠自身的設計經驗，具有不可預測性。因此，尋求一種能快速有效的進行風機修改并擁有可信的計算結果的驗算方法就成為了風機設計者們一項十分必要的工作。

這里研究一種基于風機設計過程中的CFD驗算結果來進行風機性能估算和快速修改設計的一維風機性能計算方法，利用本方法可以快速進行風機的性能估算和修改設計參數，并能得到良好的計算結果。

2 風機一維性能計算方法

此計算方法是基于風機設計過程中的CFD驗證結果來進行工作的。首先，我們可以根據風機的CFD計算結果得到如下參數：各葉排特性參數——葉排進出口幾何參數（輪轂半徑和機匣半徑）、各靜子葉排總壓恢復系數、各轉子葉排等熵效率、各葉排出口氣流角。這里需要說明的是葉排特性參數是在風機的設計階段通過CFD驗證所得，這時，風機內流動損失、葉片厚度的影響和其他一些影響因素均在各靜子葉排總壓恢復系數、各轉子葉排等熵效率、各葉排出口氣流角等參數中予以反映[3]。

有了上面介紹的葉排參數再加上風機設計的進出口的邊界條件，主要包括進氣條件（總溫、總壓、默認軸向進氣）、出口靜壓，我們就可以進行風機的一維性能估算。另外為了使計算能夠啟動，需要給定預估流量作為初始條件。

在上述的約束條件和已知給定條件下，建立風機的性能計算模型見圖2。

圖2 葉片排性能計算模型圖

將風機的性能計算分解為葉片排性能計算的疊加，只需要分別計算每排葉柵的性能，然后按照一定的方式疊加。由于風機葉排分為動葉柵和靜葉柵，而動葉柵和靜葉柵的工作原理有一定的差距，所以葉片排性能的計算要分情況而定。具體而言，計算主要采用以下控制方程。

葉柵前后氣體的連續(xù)方程：

根據CFD計算結果可以得到葉片排的參數，通過式（1）進行計算即可得到靜葉排葉柵的性能參數。但是由于動葉排對氣體做功，所以需要加入做功量之后再進行迭代計算。

通過上式的加入即在葉柵性能計算時加入了動葉排做功的影響。通過兩式的反復迭代和各參數的具體計算即可疊加得到風機的整機性能表現，完成風機一維的性能預估。在計算過程當中不可或缺的要完成其他參數的計算。

靜溫：

靜壓：

氣流速度：

在轉子葉片中要求的是相對速度：

由于計算方法中是采用平均半徑處的參數作為平均參數來計算的，所以這里要求出平均半徑和平均半徑處的輪緣速度：

另外，在轉子葉排計算中還要根據轉子葉排效率的計算來判斷迭代是否收斂。

如上文所述，式（8）中的轉子效率為已知量，主要用于判斷迭代是否收斂。由以上方程再加上一些基本參數的計算，我們就能分別對轉子葉排和靜子葉排性能進行計算，最終得到風機的整機性能。

3 某型風機設計流場分析及一維估算

在某型風機設計階段，經過設計人員的初始設計，得到風機初始設計方案見圖3。

圖3 風機初始設計方案圖

圖4 沿流程各截面總壓、總溫和平均軸向速度分布圖

此型風機為大流量亞音速多級軸流風機，其葉型均采用NACA-65葉型，經過初始設計的風機，驗證后得到其流量稍大。在以往的工程應用中風機的流量較大的問題，其解決方案一般是在風機出口加入分流管道，以把多余的氣體流量排出。隨著工程中要求能源利用效率和工業(yè)效益的提高，這里就需要我們對風機的設計方案進行修改以滿足工業(yè)應用的要求，并提高效益[4-5]。

在風機設計階段完成了對風機的三維CFD的驗證計算。同時，這里我們根據CFD的計算結果利用上述方法對風機的性能進行了估算，結果對比見表1。

表1 一維計算結果與CFD計算結果對比表

如表1所示，表中上面為三維CFD計算結果，下面為一維計算結果，將兩種計算方法所得的結果相比較發(fā)現，只有流量的估算誤差稍大，其他結果均能符合我們的計算要求。另外，如圖4所示為兩種計算所得到的截面參數，從圖4可以看到在兩種設計開度時，總溫和總壓的計算結果均能較好的相互符合。而軸向速度項由于一維估算方法得到的計算結果平均半徑處的結果，故這里得到的結果與CFD計算結果的平均值基本一致。由此得到這里所發(fā)展的一維風機性能計算方法能較好預估風機的性能參數。

另外，由圖4可得風機的初始設計軸向速度沿流程平均軸向速度的分布情況。在一定的氣流條件下，風機流量的大小取決于氣流速度和流通面積兩個方面的因素。由于原設計中存在的問題是壓比滿足工程要求而流量偏大，而在風機的運行中風機內的氣流速度在一般情況下取決于風機的設計轉速，在設計轉速不變的情況下至于要解決流量偏大的問題主要要考慮以下兩點：首先，一般情況下在工程實際中，風機的流量調節(jié)是靠調節(jié)風機的靜葉開度來實現調節(jié)的，這就要求我們首先要考慮原設計中風機的靜葉開度設計或者說是靜葉開度調節(jié)規(guī)律存在著一定的問題。其次，風機的流量大小在一定的氣流速度下和風機的有效通流面積存在著緊密的直接關系，這里我們可以考慮通過調節(jié)風機的外機匣半徑的設計來調節(jié)風機的有效通流面積進而對風機進行改型優(yōu)化設計并解決原設計中所存在的問題。

4 風機設計參數一維修改及結果分析[6]

4.1 安裝角設計修改

首先這里針對79°靜葉開度時軸向速度暴露出來的前面級軸向速度過大的情況進行設計參數的修改和一維預估。表2為對第一級靜葉片安裝角進行優(yōu)化修改時一維估算結果。

表2 優(yōu)化設計一維計算結果表

通過一維計算程序我們發(fā)現，改變第一級靜葉片的安裝角可以達到我們所期望的風機設計結果，這里我們對風機進行了CFD計算來驗算一維計算程序作出的修改方案。表3為按照修改方案進行優(yōu)化后兩種計算方法的結果。

表3 首級安裝角優(yōu)化后兩種計算結果對比表

圖5 S1優(yōu)化前后軸向速度、總壓和總溫的CFD結果對比圖

由表3及圖5可以看到風機在經過修改設計后能達到我們的預期要求。這里所做的設計修改主要是通過降低風機內氣流的軸向速度來實現降低流量的目的，而風機出口的總溫和總壓并沒有改變。這也就證明了利用本文的一維風機性能估算方法可以根據風機的CFD驗算結果迅速對風機的設計所存在的問題進行設計參數的修改，從而大大的提高了風機設計的速度和一次設計成功率。

4.2 外機匣優(yōu)化設計

這里再根據一維估算方法做一個對風機機匣半徑的設計修改以進一步驗證結果的準確性和方法的正確性。和S1安裝角的修改一樣，這里首先使用一維預估方法對初始設計的機匣半徑進行了參數的修改，得到了機匣半徑需要修改的具體數量。然后根據得到的修改方案對初始設計進行了修改，并重新進行了CFD的驗算。表4為設計參數修改后兩種計算結果的對比。

表4 機匣參數修改后兩種計算結果對比表

由表4可知，根據兩種方法的計算結果不難發(fā)現，優(yōu)化風機的外機匣可以達到優(yōu)化設計要求，并且優(yōu)化之后的風機在進行CFD驗算也得到了預期的結果并且和一維估算結果符合良好。由圖6可得根據一維估算結果對風機進行修改之后，風機的其他性能參數幾乎沒有變化，并且流量參數滿足了設計要求。這更證明了，修改方案較好地保持了風機原設計的性能表現，并改善了不符合設計要求的參數，使其達到了設計要求。

圖6 外機匣半徑優(yōu)化前后軸向速度、總壓和總溫對比圖

5 結論

本文發(fā)展了一種基于風機設計階段CFD驗證的一維風機性能估算方法，用于風機設計階段的性能估算，并且根據設計要求對初始設計方案進行優(yōu)化改進。通過本方法的應用可以節(jié)省大量風機設計修改的工作量，并且能夠迅速完成設計參數的修改。對風機設計人員來說不僅可以節(jié)省設計工作時間，還能較少的依賴于個人經驗，幫助缺少設計經驗的設計人員較好地完成風機的設計工作。

由于此計算方法主要是基于平均半徑處進行風機性能計算的，所以計算結果可能還會與CFD結果存在些許誤差，但是其精確度還是值得肯定的。所以此風機一維性能估算方法具有較高的風機設計工程應用價值。

[1]N M White,A Tourlidakis,R L Elder.Axial Compressor Performance Modellingwith A Quasi-one-dimensional Approach [J].Proc Instn Mech EngrsVol216PartA:Powerand Engery.

[2]Wright,P I and Miller,D C.An Improved Compressor Performance Prediction Model[M].IMechEpaper C423/028, 1991.

[3]張顧鐘.離心風機優(yōu)化設計方法研究[J].風機技術，2011（5）：26-30.

[4]昌澤舟，羅皓，郭麗娜，等.CFD軟件在通風機設計中的應用[J].風機技術，2009（2）：60-64.

[5]劉曉明，蘇莫明，田琳.單級軸流風機準三維設計[J].風機技術，2011（6）：26-28.

[6]胡駿，吳鐵鷹，曹人靖.航空葉片機原理[M].國防工業(yè)出版社，2005.

One-dimensionalDesign of Axial Flow Fan Based on Blade Rows Characteristics

Gao Xiulei/Shenyang Engme Design Institute
Wang Yingfeng,Du Hailang/School of Energy and Power Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics

The engineering design of axial flow is a repeatedly design and preferred process.Therefore,a method that can rapidly and effectively modify fan and obtain reliable calculation results will be significant important.According to CFD verified results in fan design stage and the design requirements on inlet and outlet of fan,one-dimensional performance calculation and design is carried out based on blades row characteristics and the one-dimensional design method for fans is formed.The method is practical and reliable which is verified by the calculation and optimization in practical engineering. It has proved that the one-dimensional design method has very important engineeringapplication values.

axial flow fan;blades row characteristics;flow field analysis; one-dimensionaldesign

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）04-0059-05

10.16492/j.fjjs.2015.04.044

2014-12-10遼寧沈陽110015