叶片载荷分布对离心叶轮气动性能影响的数值研究资料下载.pdf
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以获得更均匀的叶轮出口流场。
叶片吸力侧二次流结构对比叶片吸力侧二次流结构对比7叶片载荷分布对叶轮性能影响显著，且合理的载荷分布可以获得高效的叶轮，但目前还没有普适的分布型式。
本文研究内容本文研究内容不同载荷分布的不同载荷分布的1=0.1的离心叶轮气动设计的离心叶轮气动设计使用使用反问题设计软件反问题设计软件TURBOdesign1叶轮盘、盖侧不用载荷分布叶轮盘、盖侧不用载荷分布对离心叶轮对离心叶轮外特性及内流场外特性及内流场的的影响规律影响规律采用采用Numeca软件计算，研究结果为离心叶轮的反方法设计提供指导。
软件计算，研究结果为离心叶轮的反方法设计提供指导。
89研究方法反问题设计软件反问题设计软件TD1TD1介绍介绍反问题设计软件：
反问题设计软件：
英国英国ADTADT公司公司TURBOdesignTURBOdesignsuitesuite输入参数：
输入参数：
子午流道：
一元设计理论确定基本结构尺寸子午流道：
一元设计理论确定基本结构尺寸.叶片厚度叶片厚度进出口无量纲速度环量进出口无量纲速度环量rV/r*V*展向分布：
展向分布：
r*=r2V*=u2确定叶轮欧拉功的分布确定叶轮欧拉功的分布.10反问题设计理论（反问题设计理论（11）给定沿流向分布给定沿流向分布（叶片载荷分布叶片载荷分布）：
mrV2（）mblhhWrVBm+=11对于可压缩流，叶片两侧的焓差：
对于可压缩流，叶片两侧的焓差：
h为叶片表面为叶片表面总总焓值，焓值，Wmbl为叶片平均相对流速为叶片平均相对流速bl0=W叶片表面速度满足叶片表面速度满足无粘滑移条件：
无粘滑移条件：
三段线载荷分布型式三段线载荷分布型式（头尾抛物线，中间直线头尾抛物线，中间直线）2（）mblppWrVBm+=不可压流动不可压流动积叠方式：
积叠方式：
叶片叶片尾尾缘缘沿沿展向的包角值展向的包角值（wrapangle）分布，包角分布，包角为为柱坐标系柱坐标系值值.通过叶片力调整吸力面盘盖侧压力梯度通过叶片力调整吸力面盘盖侧压力梯度.控制吸力面盘盖侧压力梯度控制吸力面盘盖侧压力梯度尾部径向积叠尾部径向积叠（盘侧盘侧00度盖侧度盖侧00度度）盘侧盘侧+10+10度盖侧度盖侧00度线性积叠度线性积叠12反问题设计理论（反问题设计理论（22）数值模拟方法数值模拟方法数值模拟数值模拟选用商业软件选用商业软件Numeca进行数值模拟，采用结构化网格，工质为理想空气，选用进行数值模拟，采用结构化网格，工质为理想空气，选用SA湍流模型求解雷诺平均湍流模型求解雷诺平均NS方程。
方程。
边界条件边界条件进口给定总温总压轴向均匀进气，出口质量流量，流道出口延长至进口给定总温总压轴向均匀进气，出口质量流量，流道出口延长至D/D2=1.15处处保证出口流动相对均匀。
保证出口流动相对均匀。
载荷系数载荷系数LC=PPP+2+=PPPP+，P-分别代表叶片压力面与吸力面叶表静压。
分别代表叶片压力面与吸力面叶表静压。
载荷系数：
反问题设计中载荷为叶片中弧面的反问题设计中载荷为叶片中弧面的速度环量速度环量分布，分布，CFD模拟中叶片存在厚模拟中叶片存在厚度，无法计算中弧面的环量分布。
度，无法计算中弧面的环量分布。
1314计算结果与分析计算结果与分析几个参数计算式几个参数计算式研究对象：
研究对象：
中等流量系数闭式离心叶轮1=0.1Mu2=0.9*22214uDG=流量系数：
流量系数：
机器马赫数：
无量纲流量，衡量叶轮通流能力的大小无量纲流量，衡量叶轮通流能力的大小。
1521PP=多变效率：
多变效率：
总压比：
2121ln11ln11ppmpmkkTkkT=*22inkRTuMu=16盖侧载荷对叶轮性能的影响盖侧载荷对叶轮性能的影响盖侧载荷分布型式盖侧载荷分布型式盖侧三种载荷分布盖侧三种载荷分布17mrV有粘与无粘结果对比有粘与无粘结果对比反设计与反设计与CFDCFD载荷系数对比载荷系数对比18反问题设计与CFD数值数值模拟仍存在一定差别，但两者变化规律一致，证明了无粘设计方法的可行性。
PPP+LC=叶轮外特性曲线叶轮外特性曲线多变效率多变效率总压比总压比前加载前加载在设计点处效率较高，但小流量工况效率下降较快。
在设计点处效率较高，但小流量工况效率下降较快。
中加载中加载变工况性能较好，但设计点效率较前加载低变工况性能较好，但设计点效率较前加载低1%。
后加载后加载小流量工况较好，但大流量工况效率下降较快。
小流量工况较好，但大流量工况效率下降较快。
小流量小流量设计点设计点大流量大流量19设计点流场分析（设计点流场分析（11）设计点设计点95%95%叶高近叶表相对马赫数分布叶高近叶表相对马赫数分布前加载吸力面低速区起始点靠前，前加载吸力面低速区起始点靠前，但回流区较小，且强度较低。
但回流区较小，且强度较低。
中后加载吸力面低速区起始点靠中后加载吸力面低速区起始点靠后，但回流区面积及强度较大。
后，但回流区面积及强度较大。
20低速区起始点低速区起始点叶片前部边界层较薄，前加载不易发生强烈的分离现象设计点流场分析（设计点流场分析（22）包角对比包角对比叶片长度对比叶片长度对比摩擦损失摩擦损失流道长度、流体流速流道长度、流体流速21前加载叶片进出口包角差较小，流道相对较短。
设计点流场分析（设计点流场分析（33）叶表静压分布对比叶表静压分布对比叶表静压分布叶表静压分布前加载在叶片前部有较大的扩压度，压升前加载在叶片前部有较大的扩压度，压升梯度较大。
叶片前部相对速度下降较快，梯度较大。
叶片前部相对速度下降较快，造成平均相对速度较低。
造成平均相对速度较低。
22设计点效率：
前加载不易在设计点效率：
前加载不易在吸力面形成较强的分离，且吸力面形成较强的分离，且流道较短，平均相对流速较流道较短，平均相对流速较低，摩擦损失较小，因此其低，摩擦损失较小，因此其具有较高的设计点效率。
具有较高的设计点效率。
小流量工况流场分析小流量工况流场分析前加载前加载中加载中加载后加载后加载95%95%叶高相对马赫数及流线分布叶高相对马赫数及流线分布小流量工况具有较大的正攻角，吸力面边界层易分离且不易消散，当叶片前缘载荷较大时，会在叶小流量工况具有较大的正攻角，吸力面边界层易分离且不易消散，当叶片前缘载荷较大时，会在叶片前部产生大面积分离现象，造成效率的急剧下降。
片前部产生大面积分离现象，造成效率的急剧下降。
23大流量工况流场分析大流量工况流场分析大流量工况叶片具有负攻角，叶片前部载荷减小，后加载会使载荷过分集中于叶片尾部，造成大流量工况叶片具有负攻角，叶片前部载荷减小，后加载会使载荷过分集中于叶片尾部，造成较大损失，因此后加载在大流量工况效率较低。
较大损失，因此后加载在大流量工况效率较低。
前加载前加载中加载中加载后加载后加载95%95%叶高熵分布叶高熵分布2425叶轮内部流动现象控制叶轮内低速区或分离控制（叶轮内低速区或分离控制（11）研究对象：
盖侧中部加载型叶轮。
子午通道对比子午通道对比盖侧载荷分布对比盖侧载荷分布对比措施措施2：
减小盖侧分离部分载荷减小盖侧分离部分载荷26措施措施1：
增大盖侧子午型线曲率增大盖侧子午型线曲率增大流速，减小扩压度增大流速，减小扩压度措施措施3：
积叠方式积叠方式径向积叠变为盖侧径向积叠变为盖侧+3度盘侧度盘侧0度的线性积度的线性积叠方式叠方式降低盖侧叶片吸力面静压变化梯度。
降低盖侧叶片吸力面静压变化梯度。
盖侧叶片吸力面低速区明显减小，分离盖侧叶片吸力面低速区明显减小，分离现象消失。
现象消失。
27叶轮内低速区或分离控制（叶轮内低速区或分离控制（22）MiddleMiddle_v1MiddleMiddle_v1减小流道扩压度，降低低速区载荷可以减小低速区，抑制分离现象。
减小流道扩压度，降低低速区载荷可以减小低速区，抑制分离现象。
28叶轮内低速区叶轮内低速区二次流现象二次流现象压力侧二次流压力侧二次流吸力侧二次流吸力侧二次流叶表二次流：
叶表二次流：
通道二次流：
与主流参混造成损失。
与主流的参混损失。
易形成盖侧边界层堆积，形成低速区。
易造成出口流场不均匀，影响静止部件性能。
29叶表静压对比叶表静压对比Middle_v1Middle_v2Middle_v1Middle_v230减小盘侧压力面与盖侧吸力面间的叶表静压差减小盘侧压力面与盖侧吸力面间的叶表静压差有助于减小二次流有助于减小二次流压力侧二次流对比压力侧二次流对比Middle_v1Middle_v2Middle_v1Middle_v2增大盖侧到盘侧的静压梯度有助于抑制二次流现象。
增大盖侧到盘侧的静压梯度有助于抑制二次流现象。
31叶轮出口流场叶轮出口流场32前加载前加载中加载中加载后加载后加载叶轮出口子午速度云图叶轮出口子午速度云图盖侧子午速度轴向分布盖侧子午速度轴向分布盖侧前加载具有较均匀的出口流场，后加载叶轮出口流场较差。
主要差别体现在轮盖与叶片吸力面角区。
33盘侧载荷对叶轮性能的影响盘侧载荷对叶轮性能的影响盘侧载荷分布对叶轮的影响盘侧载荷分布对叶轮的影响研究对象：
盖侧中加载型叶轮研究对象：
盖侧中加载型叶轮（Middle）。
盘侧载荷分布型式盘侧载荷分布型式叶轮多变效率叶轮多变效率盘侧前、中加载的整体叶表静压值较高，不利于抑制盘侧前、中加载的整体叶表静压值较高，不利于抑制二次流现象，造成盖侧流动恶化，影响叶轮性能。
二次流现象，造成盖侧流动恶化，影响叶轮性能。
34结结论论运用给定叶片载荷分布的三元叶轮反设计方法，设计了不同载荷分布型运用给定叶片载荷分布的三元叶轮反设计方法，设计了不同载荷分布型式的叶轮，并利用数值模拟方法进行了验证。
式的叶轮，并利用数值模拟方法进行了验证。
获得了不同载荷分布型式获得了不同载荷分布型式对离心叶轮对离心叶轮（1=0.1）气动性能的影响机理和规律。
气动性能的影响机理和规律。
35盖侧盖侧前加载前加载可以获得较高的叶轮设计点效率可以获得较高的叶轮设计点效率及较均匀的出口流场及较均匀的出口流场，但其小流，但其小流量工况性能较差。
量工况性能较差。
盖侧中加载盖侧中加载叶轮设计点效率较前加载略低，但其大小流量叶轮设计点效率较前加载略低，但其大小流量工况效率变化较为平衡，效率曲线形状较好。
工况效率变化较为平衡，效率曲线形状较好。
盖侧后加载盖侧后加载型叶轮小流量工况型叶轮小流量工况效率较好，但其大流量效率下降较快效率较好，但其大流量效率下降较快，且叶轮出口流场较不均匀，且叶轮出口流场较不均匀。
减小分离部分的减小分离部分的扩压度及载荷扩压度及载荷可以有效抑制分离现象可以有效抑制分离现象减小盘侧与盖侧间的叶表静压差可以抑制二次流现象减小盘侧与盖侧间的叶表静压差可以抑制二次流现象盘侧后加载有助于抑制二次流盘侧后加载有助于抑制二次流36/36
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