為了探索大負(fù)荷大流量風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)和內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)，其壓力比為1.20，負(fù)荷系數(shù)為0.83。詳細(xì)研究了流量系數(shù)、反力等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律，給出了相應(yīng)的選擇原則。分析了葉片負(fù)荷調(diào)節(jié)、葉片彎曲和葉片端部彎曲對葉柵流動(dòng)、級(jí)匹配和級(jí)性能的影響，給出了高負(fù)荷軸流風(fēng)機(jī)三維葉片設(shè)計(jì)的基本原則。同時(shí)，開發(fā)了S1流面協(xié)同優(yōu)化方法，取得了較好的效果。降低了定子損耗，增大了風(fēng)機(jī)裕度。高壓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)通常采用離心風(fēng)機(jī)，但離心風(fēng)機(jī)存在迎風(fēng)面積大、流量小、效率低等缺點(diǎn)。針對大流量、高壓力比、率的設(shè)計(jì)要求，如何完成單級(jí)軸流設(shè)計(jì)成為研究的重點(diǎn)。長期以來，軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法得到了發(fā)展。采用二階逆風(fēng)法離散了與空間有關(guān)的對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和湍流粘性系數(shù)，忽略了重力和壁面粗糙度的影響。從孤立葉型法、葉柵法、降功率法到目前廣泛采用的準(zhǔn)三維、全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，甚至到S1流面葉型優(yōu)化[6]、三維葉型優(yōu)化、嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)三維葉型技術(shù)，已經(jīng)有了大量的研究工作。用于提高設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性和快速性。以率、高負(fù)荷為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過合理選擇總體參數(shù)，優(yōu)化了嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)流面葉片的初步設(shè)計(jì)和三維疊加，實(shí)現(xiàn)了軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，葉片型線的優(yōu)化可能面臨一個(gè)問題。不同葉片高度的不同進(jìn)水條件導(dǎo)致葉片型線優(yōu)化結(jié)果差異過大，難以對葉片型線進(jìn)行過度優(yōu)化。為此，本文提出了多截面輪廓協(xié)同優(yōu)化的方法，建立了輪廓幾何與輪廓目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，使得到的輪廓滿足三維實(shí)際要求。在優(yōu)化過程中，增加了葉片型線的幾何分析和設(shè)計(jì)點(diǎn)氣流角的調(diào)整模塊，以保證獲得的葉片型線能達(dá)到與原型相同的氣流轉(zhuǎn)向能力。同時(shí)，嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣動(dòng)性能滿足一定要求，否則，可以以罰函數(shù)的形式盡快完成葉型的氣動(dòng)分析，提高優(yōu)化過程的快速性。在確定優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，綜合考慮了設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能和非設(shè)計(jì)條件，嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)對有效范圍內(nèi)的剖面性能進(jìn)行了研究。目標(biāo)函數(shù)括號(hào)中的項(xiàng)為設(shè)計(jì)點(diǎn)損失，第二項(xiàng)為有效流入流角范圍，邊界為設(shè)計(jì)點(diǎn)損失的1.5倍，第三項(xiàng)為失速裕度，第四項(xiàng)為有效流入流角范圍內(nèi)的平均損失，第五項(xiàng)為平均損失差的方差。有效流入角范圍內(nèi)的分布。因此，轉(zhuǎn)子葉片出口軸向速度分布的徑向分布如圖6所示，用于分析流量。分子是分析葉片外形的氣動(dòng)性能，分母是原型參考值。嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)利用加權(quán)因子w對截面之間的關(guān)系進(jìn)行加權(quán)，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，得到損失小、失速裕度高的多截面S1剖面。各參數(shù)的權(quán)重和各截面的權(quán)重系數(shù)決定了優(yōu)化目標(biāo)是集中于中間截面的性能，以及中間截面的損失和末端截面的失速裕度。

通過在嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉尖壓力面附近擴(kuò)展合適的葉尖平臺(tái)，可以有效地減小葉尖泄漏和氣動(dòng)損失。模擬了三種嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)不同長度和初始位置的吸力面小翼葉柵的內(nèi)部流場。結(jié)果表明，三段小翼可以改善葉柵頂部的流動(dòng)狀況，并在不同程度上削弱泄漏渦的強(qiáng)度。周志華等[10]計(jì)算了某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪一級(jí)的三維流場。結(jié)果表明，錐形間隙能有效地控制間隙內(nèi)的泄漏流速，減少間隙內(nèi)的堵塞，從而提高其整體性能。在套管處理方面，Yang等人[11]發(fā)現(xiàn)自循環(huán)殼體處理后壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量范圍明顯增大，這是由于葉片負(fù)荷降低、低能流體吸附能力降低和周向流量畸變能力降低所致。嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)的不同分區(qū)數(shù)的非軸對稱套管處理。實(shí)驗(yàn)表明，合理的非軸對稱殼體處理結(jié)構(gòu)可以使壓縮機(jī)的穩(wěn)定裕度提高13%，峰值效率提高0.8%。在套管處理方面，Yang等人[11]發(fā)現(xiàn)自循環(huán)殼體處理后壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量范圍明顯增大，這是由于葉片負(fù)荷降低、低能流體吸附能力降低和周向流量畸變能力降低所致。提率的原因是加工槽對壓氣機(jī)葉頂流場產(chǎn)生低頻非定常影響信號(hào)。嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在低速壓縮機(jī)上測試了不同結(jié)構(gòu)的斜槽殼體處理。實(shí)驗(yàn)表明，合理的配置可以提高壓縮機(jī)效率1%~2%，而不會(huì)對失速裕度產(chǎn)生不利影響。

嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)在0.05<r<0.4的范圍內(nèi)，a的變化很小。當(dāng)0.4<r<0.85時(shí)，_a逐漸增大，在85%葉高時(shí)達(dá)到較大值，說明該區(qū)域具有更大的機(jī)械能和更強(qiáng)的循環(huán)能力。與均勻間隙相比，方案2和方案6的葉尖間隙形狀在0<r<0.5時(shí)基本保持不變，說明葉尖間隙形狀的變化對葉片底部到中部沒有影響，但在方案2下，嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉尖間隙高于均勻間隙，而葉片TiP間隙小于均勻間隙。這是由于葉尖渦度強(qiáng)度增大，泄漏流減弱，葉片前緣渦度明顯增大和減小。減輕了主流與泄漏流的相互作用，削弱了泄漏渦的強(qiáng)度，增強(qiáng)了葉片中上部的流動(dòng)能力，增加了獲得的能量。在方案6中，在0.5<r<0.85的范圍內(nèi)，均勻間隙也略有增大，但接近較大的速度明顯減小。這是由于葉尖渦度強(qiáng)度隨間隙的均勻變化而略有變化，對泄漏流影響不大，而葉尖前緣渦度強(qiáng)度顯著增大，導(dǎo)致葉尖a減小，總流量減小，能量降低，從而提高了風(fēng)機(jī)效率?？紤]到風(fēng)機(jī)選型中參數(shù)裕度過大，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量的左側(cè)運(yùn)行，可以將變細(xì)的間隙形狀作為提高風(fēng)機(jī)性能的手段。ENcy略有下降。也就是說，為了更直觀地反映嵌入式耐高溫軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙形狀變化對葉頂附近速度場的影響，90%葉片高度截面的軸向速度分布如圖7所示。