S型叶片可逆式轴流风机的全三维优化设计

　　8型叶片可逆式轴流风机的全维优化设计+黄典贵上海大学力学研究所上海200072机中比较理想的叶片。以04数字系列叶型的前半部分为雏形，构造出气动性能良好的8型叶片。用维雷诺平均，打53方程的计算流体力学方法，将叶型参数扭转角和安装角作为设计参数，应用正交优化方法，对5型叶片的可逆式轴流风机通流部分进行优化设计，在满足风量风压要求的前提下，获得的流动效率，取得了良好的设计效果。

　　风机的性能参数如风量风压效率等是判定风机优劣的指标1.在很多情况下，还要求风机具有反向通风能力，这种风机称为可逆风机，其翼型称为可逆翼型对可逆风机的具体要求就是希望在正向和逆向送风时，风机都能具有良好的气动性能。参考文献2对可逆翼型进行了些研究，5型叶片是可逆风机中比较常用的种叶片，这种双对称翼型使得风机具有相同的正反向气动性能。

　　在某风机制造厂的委托下，对这类风机开展了维气动设计方面的研究。为此，发展了针对轴流风机的维雷诺平均86818方程来模拟其流道内的粘性流动。然后应用该计算程序，采用正交设计方法3，以叶型参数安装角及扭转角为设计变量，进行可逆风机流道的优化设计，在风量风压满足要求的条件下，得到流动效率佳的3型叶片流道。

　　1流场仿真与数值试验在圆柱坐标系，6，下，应用如下的有限体积国家自然科学基金50576049上海市教委科技发展基金上海市基础研究重点项目，5014066和上海市重点学科建设项目，3资助项目。20050120收到初稿，20，5，720收到修改稿采用8此和提出的混合长度紊流模型。

　　根据以上基本方程，研制出全维流场仿真计算程序。经过近20年的考核及多个企业哈尔滨汽轮机厂东方汽轮机厂和南京汽轮机厂等的应用，证明该程序计算是基本可靠的，计算结果是可信的。

　　在本研究中，它可以用来进行数值试验，由数值试验可以得到风机的性能参数。

　　28型叶片构造及各种参数2.18型叶片构造过程S型叶片构造将以NACA4数字系列叶型为基础，具体地讲，由于叶片前半段的弧线形状对气动性能的影响较大，因此希望借鉴现有成熟的叶片前半段弧线来构造新的S型叶片。NACA4系列叶型通常具有良好的气动性能，以NACA4系列叶型作为新的3型叶片的构造母体应该是不错的选择。

　　得到的，其弦长为，大厚度必=0.075，大拱度5为0.025，大拱度位置，=0.5.在下面的设计中，从根部到顶部，叶片弦长规律己经根据经验给定，不参加优化；根据强度及振动要求，从根部到顶部的叶片厚度也根据需要给定，不参加优化；大拱度位置也已给定，不参加优化。在基本叶型参数里，参加优化的只有个参数，即影响叶片作功量的大拱度。

　　对1的，舜系列翼型，把后半部分擦掉，将前半部分叶型绕0点水平方向中线与垂直方向中线的交点旋转180，可以得到2面不能满足实际设计的需要，因此，试在此基础上加以修正。如作条，型的母线，在这条母线上，叠加2的翼型。母线的设计公式变量，由式2可得由式3可以看出母线左右端的斜率为50中间的斜率为，斜率沿着横坐标线性变化，的取值决定了母线的形状。这里的作为个设计变量参加优化。

　　根据式2，得到了某个下的，母线形状，3.

　　将2的基本翼型与3的母线形状叠加，得到4的8型叶片。

　　2.2优化参数的选择如前所述，在设计中，从根部到顶部，叶片弦长规律己经根据经验给定，没有参加优化；稂据强度及振动要求，从根部到顶部的叶片厚度规律也根据需要给定，没有参加优化；大拱度位置也已给定，不参加优化。在基本叶型参数里，大拱度5作为优化设计的个变量，另外，影响母线形状的参数也作为设计变量参加优化。

　　除了翼型参数外，叶片的安装角及扭转角对流道的气动性能影响很大。将叶片的根部安装角8作为设计变量，扭转角4户顶部安装角与根部安装角之间的差值也作为设计变量参加优化，认为叶片的扭转沿着径向是线性的。

　　当风机转速顶部直径和根部直径根据实际条件或需要已经给定后，影响风机性能参数的变量就是5，戽4.要对风机进行优化设计，就是要在定范围内找到组佳的戽4，使得在满足要求的风量风压条件下，效率高。

　　3目标函数对委托方要求的可逆风机，给出了如下目标函数T4正交优化方法影响效率的参数可能很多，有些参数己经被委托方的要求所确定，有些参数作了符合情理的假定，后，只需要对4个参数进行优化。优化方法当然很多，但这里认为，对这样个问，用优选法正交设计是为简单方便并且有效的种。采用正交优化思想，可以通过为数不多的试验，经过综合整理，得到全局优解，能够节省大量的试验。具体的正交设计思想参参考文献3.

　　对每个影响效率的因素，分别在其对应的选值范围内，等间距分成5个水平，对这种情况，要是每个因素的各种水平之间搭配，全部试验，共需要54=625次试验，才能找到组佳组合。但如果采用1的554正交，只要经过25次试验，就可以获得佳的解，第2，5列中的2，3，4，5分别代各个因素的5个水平。

　　上的值代入1中，就可以应用全维粘性流场计算程序，对风机的性能进行25次数值试验。经过综合整理试验结果3，可以获得组佳搭配该组佳搭配完全可能不包含在25组试验内由于上面的选值范围过大，因此还需要对参数范围细化。在上面得到的佳搭配附近定区间，用同样的方法，再分成5个水平，进行25次数值试验，可以获得更佳的搭配。如此经过两次细化，就可以获得满足实际需要的优解。

　　5设计结果与讨论按正交设计方法，经过75次数值试验，获得了个满足委托方要求的风量风压及佳效率的风机设计。终得到的主要参数2，可以看出，除了风量风压满足委托方设计要求外，效率较设计方要求高出7.67，优化设计效果十分理想。

　　参数设计值或优化结果企业要求转速也1此排叶片数是内半径，是外半径，101是大拱度5否母线的形状否根部安装角泠。

　　否扭转角却否质量流量9，81出口压力灼0a布。其中5是根部速度矢量，55和5分别中部和顶部的速度矢量，从5中可以看出，优化设计的可逆风机流道内，流体流动畅通，没有形成旋涡或分离等导致损失的不理想流场。

　　00中部匀顶部力线，从6中可以看出，该风机流道内压力分布合理，变化基本均匀，是种相当理想的叶片流道。

　　6结论应用正交优化设计思想，以维粘性流场仿真技术为基础，对某可逆风机进行优化设计，获得了令人满意的效果。由于叶片是对称的，因此正反转将具有完全同样的性能。

　　1钟芳源，杨波，欧阳华。轴流风机叶片设计新方案的探讨。流体机械，2000，281213，172席德科，张仲寅，陆森林，等。可逆风机叶片的翼型研究。机械科学与技术，1999，184628，6303北京大学数学力学系数学专业概率统计组。正交设计种安排多因素试验的数学方法。北京人民教育出版社，1976 4黄典贵。蒸汽透平全维粘性流场计算。热能动力工程，力学方面的研究。