1、隨著國民經濟的發(fā)展以及日益苛刻的能源與環(huán)境的要求，對葉輪機械的設計提出了更寬工況、更高效率等越來越高的性能要求。合理運用葉片彎掠設計能夠改變流體機械流道內的壓力梯度分布、抑制二次流發(fā)展和端壁低能流體的聚集，從而改善其內流結構并達到提高氣動性能的目的。 本文在已有常規(guī)準三元葉輪設計和內流研究的基礎上，運用“彎掠葉片動力學”理論，提出和構造了一種常規(guī)設計系統(tǒng)與CFD三維流場計算相結合的葉片設計新系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)設計出能有效抑制端壁邊

2、界層分離的前緣動力學彎掠新葉片，研制了一種高負荷前緣彎掠子午加速風機，同時對該前緣彎掠轉子內的流動進行了數值分析和實驗研究，探索前緣彎掠設計對提高風機/壓氣機失速裕度的有效途徑和內流機制。通過新葉片的前緣彎掠子午加速葉輪與常規(guī)葉輪的外特性與內流特性比較，驗證前緣彎掠新葉片設計方法的可靠性，理論上分析和把握前緣彎掠減少并抑制端壁邊界層分離的流動機制。 文中所提出的前緣彎掠葉輪準三元復合設計方法，包括了基于假想等價速度三角形理論和1

3、/7邊界層法則的應用和實現。一次設計部分是基于NACA葉柵試驗資料和Schlichting奇點法修正對基準葉輪進行準三元設計和三元效果修正。二次設計部分是基于環(huán)壁邊界層模型和1/7邊界層法則的葉片前緣彎掠造型設計。它由給出的邊界層速度分布，計算確定葉型端彎量和前掠量，并用徑向基函數網絡對葉片曲面進行重構，應用有理Bezier方法對葉片的進行光滑變形。編寫和修改了相應的設計計算程序及接口程序，集成了前緣彎掠子午加速風機設計的CAD/CFD

4、耦合設計系統(tǒng)FIDS2004，并成功研制了一臺前緣彎掠子午加速葉輪。該葉輪具有以下主要特點：葉片葉根葉頂前緣前掠；在葉頂處葉片前緣在向前掠的基礎上前彎；尾緣葉頂少量前掠，尾緣葉根進行了彎扭；出口尾緣中弧線方向與常規(guī)葉型相同，即葉輪出口氣流角不變。 本文創(chuàng)新性實現了將徑向基函數神經網絡應用于前緣彎掠轉子葉片曲面重構。通過對三維葉片曲面形狀的擬合結果分析，表明了徑向基網絡由于其具有收斂速度快、能夠得到全局最優(yōu)解等優(yōu)越性，應用其重構三

5、維葉片曲面可以有較高的重構效率和精度。該方法為解決三維葉片曲面重構提供了一個新途徑。文中在葉片葉型變形設計中使用有理Bezier方法，通過合理設置有理Bezier方法中的權因子和葉型的控制點，在實現葉面光滑變形的同時，保證了中弧線、厚度特征等氣動外形設計特征。 作者自行研制了全自動、高精度的風機風量試驗臺，提出且編程實現了適合于風機性能試驗研究專家模糊PID控制系統(tǒng)。采用該控制系統(tǒng)的風量臺相對常規(guī)性能試驗臺縮短近30﹪的試驗時間

6、。將性能測試系統(tǒng)和激光DPIV速度測量系統(tǒng)有機連接起來，構成內流測試系統(tǒng)。進行了性能試驗和內流測試工作，捕獲了葉尖渦流動現象，為開式前緣彎掠子午加速葉輪內流分析提供內流試驗數據。DPIV實驗結果與CFD計算結果相比，兩者吻合較好，表明了實驗結果和數值計算的一致性。 本文使用商用Fluent軟件，在設計工況和小流量高負荷工況下，對前緣彎掠子午加速葉輪內流進行數值模擬，同時與基準葉輪相比較，揭示了前緣彎掠葉輪內的流動機制：前緣彎掠葉

7、輪消除了基準葉輪前緣存在的回流，將端壁區(qū)域的低能流體吸收到葉片中部高能主流中，減弱了端部低能流體的聚集，從而減弱了流動損失和流動阻塞。計算結果表明，前緣彎掠葉輪的葉片尾跡比基準葉輪弱，機殼和輪轂端壁對葉道內流動的影響減弱，抑制了低能流體的堆積，擴大了運行工況范圍，證明前緣彎掠改善了基準葉輪內流及前緣彎掠葉輪設計的有效性。 數值模擬與分析了后導葉、蝸殼等靜止通流部件內流狀況，發(fā)現采用彎掠葉片的后導葉在有利的“C”型壓力分布下，端壁