【正文】 Residual changing curves 主要參數(shù)計算若軸流風(fēng)機的數(shù)值計算已經(jīng)收斂，則可以根據(jù)Fluent監(jiān)測的各計算面的總壓和靜壓來計算出風(fēng)機全壓和全壓效率等，圖211給出了新T35軸流風(fēng)機的計算面，相關(guān)的計算公式可見式222～式232所示。將此圓環(huán)4等分，4個環(huán)面靜壓的均值即為進(jìn)口靜壓，4個環(huán)面的靜壓值均可以通過Fluent監(jiān)測得到。將此圓環(huán)4等分，取4個環(huán)面靜壓的均值作為出口靜壓，4個環(huán)面的靜壓值也可以通過Fluent監(jiān)測得到。 （228）式中：——風(fēng)機靜壓，Pa； 軸功率的計算 軸功率是通過旋轉(zhuǎn)的動葉片以及輪轂受到流體作用的扭矩計算得到，F(xiàn)luent中可以監(jiān)測到軸流風(fēng)機的扭矩，具體軸功率的表達(dá)式可見式229所示[35]。根據(jù)以上對此軸流風(fēng)機進(jìn)行了兩種不同的建模方案：方案一是在風(fēng)機的出口接一個長管道，其中管道的長度為10d，d為管道的直徑。以上二個建模方案的進(jìn)出口邊界條件均用壓力條件給定，F(xiàn)luent中監(jiān)測靜壓的位置與實測靜壓的位置相同，即在AA和BB截面的圓周上均分四個測點的平均值。這種差別的原因是兩建模方案中在風(fēng)機出口接的管道長度不同，而且風(fēng)機出口靜壓的監(jiān)測位置也不同。表22兩種方案的數(shù)值模擬結(jié)果Table 22 Numerical simulation results in two schemes名稱建模方案1建模方案2風(fēng)機進(jìn)口總壓（pa）風(fēng)機出口靜壓（pa）風(fēng)機出口總壓（pa）風(fēng)機全壓（pa）全壓效率（%）葉輪效率（%）風(fēng)機靜壓（pa）風(fēng)機靜壓效率（%） 不同靜壓取值的結(jié)果對比在數(shù)值模擬中，以往風(fēng)機出口管道靜壓都是采用風(fēng)機出口截面的平均靜壓，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在低壓軸流風(fēng)機中這樣確定靜壓的方法會產(chǎn)生較大的誤差。以上述的兩種建模方式為例，具體的數(shù)據(jù)如表23所示。另一方面是因為實際性能測試是按國家標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)機截面的管壁圓周上均勻開四個孔，每個孔通過測壓管測定對應(yīng)位置處的靜壓[37]，由此可見風(fēng)機出口靜壓采用風(fēng)機出口截面的平均靜壓是不可取的。 不同邊界條件的結(jié)果對比在上面建模方案一的基礎(chǔ)上，進(jìn)行兩種不同的進(jìn)出口邊界條件設(shè)置，具體的操作是：（1）將此風(fēng)機的進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量風(fēng)量進(jìn)口，風(fēng)機的出口設(shè)置為自由出流條件，具體的數(shù)值計算結(jié)果見表24。另外風(fēng)機已經(jīng)規(guī)定風(fēng)量，那么在風(fēng)機壓力出口設(shè)置時應(yīng)該勾選目標(biāo)質(zhì)量風(fēng)量。由此看出軸流風(fēng)機的不同數(shù)值建模、不同靜壓的確定以及不同邊界條件設(shè)置都會影響低壓軸流風(fēng)機的性能計算結(jié)果。 本章小結(jié)本章首先介紹了軸流風(fēng)機氣流的進(jìn)出口方式，同時也介紹了軸流風(fēng)機的各組成部件，并且介紹了軸流風(fēng)機的氣動設(shè)計方法。本章最后討論了低壓軸流風(fēng)機的不同數(shù)值建模、不同靜壓的確定以及不同邊界條件設(shè)置對風(fēng)機性能的影響，并相應(yīng)的提出了合理化的建議，這樣為下一章討論T35軸流風(fēng)機的設(shè)計要素對其性能的影響奠定了基礎(chǔ)。接著本章討論了T35軸流風(fēng)機的主要設(shè)計要素對其性能的影響，主要設(shè)計要素包括輪轂比、流型系數(shù)、葉片前傾、葉片前掠。和可控渦設(shè)計，而不應(yīng)該采用葉片前傾。然后通過Gambit軟件將實際的模型轉(zhuǎn)化成幾何模型，具體幾何模型的尺寸要按照實際模型相應(yīng)放大和縮小。本文中的物理模型包括數(shù)學(xué)方程和邊界條件設(shè)置，其中數(shù)學(xué)方程包括連續(xù)性方程、三維動量方程和kε雙方程模型，詳細(xì)的邊界設(shè)置見第二章的35節(jié)。另外在建立幾何模型時要先進(jìn)行風(fēng)機葉片參數(shù)的測量，并將測量的參數(shù)輸入到實驗室已有的風(fēng)機設(shè)計程序中，而設(shè)計程序就會輸出葉片各基元級的點坐標(biāo)，最后在Gambit中依據(jù)葉片各基元級點坐標(biāo)的位置進(jìn)行數(shù)值建模。本文將結(jié)合T35軸流風(fēng)機中葉片參數(shù)的測試結(jié)果，利用風(fēng)機設(shè)計程序去設(shè)計T35軸流風(fēng)機葉片的各個基元級型線，表31給出了T35軸流風(fēng)機的葉片測定參數(shù)值。為了與舊T35軸流風(fēng)機的葉片相似，在新T35軸流風(fēng)機設(shè)計時需要改動風(fēng)機設(shè)計程序中的一些參數(shù)，這些參數(shù)包括風(fēng)機全壓、升力系數(shù)調(diào)節(jié)值、升力系數(shù)最大值和升力系數(shù)最小值等，同時風(fēng)機設(shè)計程序也用到了控制變量法即對于每一個影風(fēng)機性能的設(shè)計因素都分別進(jìn)行了討論。)f(m)B(m)R(m)B/RTable 31 Measurement data of different primitive level由于實驗室已有的設(shè)計程序有不少缺點，本文對此進(jìn)行了改進(jìn)，具體的改進(jìn)如下：（1）原風(fēng)機設(shè)計程序輸出的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬建模的銜接很差，另外原程序在讀取輸入和輸出的數(shù)據(jù)時沒有明確的標(biāo)注，容易造成輸入錯誤。（2）原風(fēng)機設(shè)計程序中有許多建模前不好確定的輸入量都是簡單估計給出的，而且分布各個輸入量時有時也很不合理，這些輸入量包括風(fēng)機效率、基元級攻角等。 （3）原風(fēng)機設(shè)計程序的攻角是利用升力系數(shù)計算出來的，這種處理在軸流風(fēng)機設(shè)計上是不合理的，因為原程序中的升力系數(shù)也是人為給定的。另外風(fēng)機設(shè)計程序中還增加了葉片的數(shù)值成型即葉片前傾和葉片前傾等，這樣為T35軸流風(fēng)機的準(zhǔn)確設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。由于T35軸流風(fēng)機的流場為三維不可壓湍流，并且不考慮氣流的溫度變化，這樣T35軸流風(fēng)機數(shù)值模擬的基本控制方程為三維的連續(xù)方程、動量方程以及標(biāo)準(zhǔn)kε湍流模式方程，詳細(xì)見式31，而且該方程用SIMPLE方法進(jìn)行求解。 幾何模型的建立本文首先根據(jù)舊T35軸流風(fēng)機圖紙進(jìn)行了數(shù)值建模，但該風(fēng)機的數(shù)值模擬結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計的要求。最后將該點坐標(biāo)導(dǎo)入到Gambit軟件中生成了新T35軸流風(fēng)機的葉片，葉片數(shù)目是4片，葉輪直徑d為634mm，風(fēng)機的進(jìn)口延伸區(qū)為15d的管道，其中d為風(fēng)機進(jìn)口管道的管道直徑，風(fēng)機的出口延伸區(qū)是一個直徑為10的球體，為新T35軸流風(fēng)機的葉輪直徑。 表32數(shù)據(jù)處理結(jié)果Table 32 The data processing results算例風(fēng)機全壓（pa）全壓效率（%）葉輪壓頭（pa）葉輪效率（%）風(fēng)機靜壓（pa）風(fēng)機靜壓效率（%）舊T35新T35， Pa。 T35軸流風(fēng)機的網(wǎng)格試驗本文第二章敘述了軸流風(fēng)機的整機數(shù)值建模，著重介紹了軸流風(fēng)機幾何模型的建立、模型的網(wǎng)格劃分以及模型的邊界設(shè)置等，從而為這一章討論新T35軸流風(fēng)機的網(wǎng)格試驗奠定了基礎(chǔ)。雖然這三套網(wǎng)格的總數(shù)差別不大，但因為網(wǎng)格的多少絕大部分體現(xiàn)在葉輪上，所以這三套網(wǎng)格對于葉輪來說還是有區(qū)別的。表33三個方案的試驗結(jié)果Table 33 The putational results of three schemes網(wǎng)格數(shù)（萬）風(fēng)機全壓（pa）全壓效率（%）葉輪效率（%）風(fēng)機靜壓（pa）風(fēng)機靜壓效率（%）221314430表34三個方案中各計算域網(wǎng)格數(shù)Table 34 Different grid number of three schemes in subdomains計算域名稱1方案各項網(wǎng)格數(shù)2方案各項網(wǎng)格數(shù)3方案各項網(wǎng)格數(shù)整機221889231493484302319進(jìn)口延伸區(qū)4985247082751038387集流器151918178589376094葉輪體78114511436041435058葉片間隙體55741668132969出口通道360235605845817995出口延伸區(qū)421496496354601816從表33的數(shù)據(jù)可以看出，這三套網(wǎng)格的計算結(jié)果差別較小。 T35軸流風(fēng)機設(shè)計要素對其性能的影響本章上面幾節(jié)介紹了T35軸流風(fēng)機葉片參數(shù)的測量，建立了該風(fēng)機的物理模型和幾何模型，并且對該風(fēng)機的數(shù)值建模進(jìn)行了網(wǎng)格實驗。 輪轂比的影響軸流風(fēng)機的輪轂直徑與葉輪直徑的比值稱為輪轂比，輪轂比是軸流風(fēng)機的重要設(shè)計要素之一，輪轂比的取值大小將直接影響軸流風(fēng)機性能的好壞[41][42]。相反若軸流風(fēng)機輪轂比的取值太小，這樣會導(dǎo)致軸流風(fēng)機葉根處的氣流產(chǎn)生分離。為了討論新T35軸流風(fēng)機的輪轂比對其性能的影響，本文建立了11種不同輪轂比的T35軸流風(fēng)機模型并進(jìn)行了流場模擬。從圖31和32中可以看到，風(fēng)機全壓和風(fēng)機靜壓均隨著輪轂比的增大而先微小增大而后減小。圖31 不同輪轂比的全壓 圖32 不同輪轂比的靜壓 Total pressure of different hub ratio Static pressure of different hub ratio圖33和34給出了11種輪轂比模型在設(shè)計工況下的風(fēng)機全壓效率和風(fēng)機靜壓效率隨著輪轂比的變化曲線，、。可見較小的輪轂比會有較大的風(fēng)機靜壓而且會有較大的風(fēng)機靜壓效率。表35不同輪轂比的計算結(jié)果Table 35 Calculation results of different hub ratio輪轂比風(fēng)機全壓（pa）全壓效率（%）葉輪壓頭（pa）葉輪效率（%）風(fēng)機靜壓（pa）風(fēng)機靜壓效率（%） 流型系數(shù)的影響流型系數(shù)也是軸流風(fēng)機中重要的設(shè)計要素，目前軸流風(fēng)機的葉片設(shè)計大多采用流型系數(shù)=1的自由渦設(shè)計。當(dāng)流型系數(shù)=1時，此時軸流風(fēng)機葉片采用的是等環(huán)量流型設(shè)計即自由渦分布，對應(yīng)氣流的軸向速度和全壓沿葉片徑向均為常數(shù)。不過采用自由渦設(shè)計會造成葉片的加工不便，另外葉片根部隨之也會產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，同時風(fēng)機中的氣流也會在輪轂處有大的周向速度，這樣就降低了軸流風(fēng)機的全壓和效率。這種設(shè)計雖然會減緩葉片的扭曲，但氣流的軸流速度沿葉片徑向會有很大變化，這樣使得葉片的流線發(fā)生漂移。當(dāng)流型系數(shù)=1時，此時葉片也是采用可控渦設(shè)計，對應(yīng)此設(shè)計下氣流的軸向速度和周向速度均沿葉片徑向線性減小，同時對應(yīng)此設(shè)計下的風(fēng)機也有大的葉片扭曲。為了討論新T35軸流風(fēng)機的流型系數(shù)對其性能的影響，本文建立了6種不同流型系數(shù)的T35軸流風(fēng)機模型并進(jìn)行了流場模擬。從圖35和36中可見，風(fēng)機全壓和風(fēng)機靜壓均隨著流型系數(shù)的增大而先增大后減小而后再增大。 圖35 不同流型系數(shù)的全壓 圖36 不同流型系數(shù)的靜壓 Total pressure of different Static pressure of different flow pattern coefficient flow pattern coefficient 圖37 不同流型系數(shù)的全壓效率 圖38 不同流型系數(shù)的靜壓效率 Total pressure efficiency of Static pressure efficiency of different flow pattern coefficient different flow pattern coefficient圖37和38給出了新T35軸流風(fēng)機的6種流型系數(shù)模型在設(shè)計工況下的風(fēng)機全壓效率和風(fēng)機靜壓效率隨著流型系數(shù)的的變化曲線。風(fēng)機全壓效率會達(dá)到峰值。為了便于定量分析不同流型系數(shù)模型對應(yīng)的風(fēng)機全壓和全壓效率值，這里給出詳細(xì)的計算結(jié)果，具體如表36所示。隨著通風(fēng)機設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的葉片采用非徑向堆積技術(shù)即NBS進(jìn)行設(shè)計，軸流風(fēng)機中較常用的非徑向堆積技術(shù)是葉片前傾、葉片前掠和葉片雙反角。葉片前傾即FSK的定義是葉片的上面截面相對于下面截面在葉輪旋轉(zhuǎn)方向上沿圓周向前旋轉(zhuǎn)一段距離，如圖39所示。軸流風(fēng)機葉片邊界層內(nèi)主流速度低，其離心力要大于徑向壓力梯度，這樣就造成了邊界層內(nèi)的低能流體徑向向外遷移并在葉頂附近堆積，從而增大了葉頂損失和葉頂失速。另外由于非徑向堆積技術(shù)存在復(fù)雜的氣動力效應(yīng)，這樣應(yīng)該借助于CFD來進(jìn)行風(fēng)機的氣動設(shè)計和數(shù)值模擬。圖310和311給出了7種前傾角模型在設(shè)計工況下的風(fēng)機全壓和風(fēng)機靜壓隨前傾角的變化曲線，這7種前傾角分別為0176。、4176。、8176。和12176。圖312和313給出了7種前傾角模型在設(shè)計工況下的風(fēng)機全壓效率和風(fēng)機靜壓效率隨前傾角的變化曲線，這7種前傾角也分別為0176。、4176。、8176。和12176。 圖310 葉片前傾的全壓 圖311葉片前傾的靜壓 Total pressure of different Static pressure of different forward lean blade forward lean blade 圖312 葉片前傾的全壓效率 圖313 葉片前傾的靜壓效率 Total pressure efficiency of Static pressure efficiency of different forward lean blade different forward lean blade表37定量分析了