为了探索大负荷大流量风机的关键气动设计技术和内部流动机理，本文设计了一台嵌入式耐高温轴流风机，其压力比为1.20，负荷系数为0.83。详细研究了流量系数、反力等设计参数的影响规律，给出了相应的选择原则。分析了叶片负荷调节、叶片弯曲和叶片端部弯曲对叶栅流动、级匹配和级性能的影响，给出了高负荷轴流风机三维叶片设计的基本原则。同时，开发了S1流面协同优化方法，
嵌入式耐高温轴流风机
为了探索大负荷大流量风机的关键气动设计技术和内部流动机理，本文设计了一台嵌入式耐高温轴流风机，其压力比为1.20，负荷系数为0.83。详细研究了流量系数、反力等设计参数的影响规律，给出了相应的选择原则。分析了叶片负荷调节、叶片弯曲和叶片端部弯曲对叶栅流动、级匹配和级性能的影响，给出了高负荷轴流风机三维叶片设计的基本原则。同时，开发了S1流面协同优化方法，取得了较好的效果。降低了定子损耗，增大了风机裕度。高压风机的设计通常采用离心风机，但离心风机存在迎风面积大、流量小、效率低等缺点。从出口段附面层的边界形状可以看出，复合三维叶片试图使叶片的径向附面层均匀化，消除了叶片角部区域的低能流体积聚，对提高叶片边缘起到了明显的作用。针对大流量、高压力比、率的设计要求，如何完成单级轴流设计成为研究的重点。长期以来，轴流风机的设计方法得到了发展。从孤立叶型法、叶栅法、降功率法到目前广泛采用的准三维、全三维气动设计方法，甚至到S1流面叶型优化[6]、三维叶型优化、嵌入式耐高温轴流风机三维叶型技术，已经有了大量的研究工作。用于提高设计方法的准确性和性。以率、高负荷为设计目标，通过合理选择总体参数，优化了嵌入式耐高温轴流风机流面叶片的初步设计和三维叠加，实现了轴流风机的气动设计。
嵌入式耐高温轴流风机在实际应用过程中，叶片型线的优化可能面临一个问题。不同叶片高度的不同进水条件导致叶片型线优化结果差异过大，难以对叶片型线进行过度优化。为此，本文提出了多截面轮廓协同优化的方法，建立了轮廓几何与轮廓目标函数之间的关系，使得到的轮廓满足三维实际要求。在优化过程中，增加了叶片型线的几何分析和设计点气流角的调整模块，以保证获得的叶片型线能达到与原型相同的气流转向能力。同时，嵌入式耐高温轴流风机设计点的气动性能满足一定要求，否则，可以以罚函数的形式尽快完成叶型的气动分析，提高优化过程的性。在确定优化目标时，综合考虑了设计点的性能和非设计条件，嵌入式耐高温轴流风机对有效范围内的剖面性能进行了研究。根据机翼理论，通过吸力面的速度高于通过压力面的速度，吸力面后缘形成高速区。目标函数括号中的项为设计点损失，第二项为有效流入流角范围，边界为设计点损失的1.5倍，第三项为失速裕度，第四项为有效流入流角范围内的平均损失，第五项为平均损失差的方差。有效流入角范围内的分布。分子是分析叶片外形的气动性能，分母是原型参考值。嵌入式耐高温轴流风机利用加权因子w对截面之间的关系进行加权，设置目标函数，得到损失小、失速裕度高的多截面S1剖面。各参数的权重和各截面的权重系数决定了优化目标是集中于中间截面的性能，以及中间截面的损失和末端截面的失速裕度。
通过在嵌入式耐高温轴流风机叶尖压力面附近扩展合适的叶尖平台，可以有效地减小叶尖泄漏和气动损失。模拟了三种嵌入式耐高温轴流风机不同长度和初始位置的吸力面小翼叶栅的内部流场。结果表明，三段小翼可以改善叶栅顶部的流动状况，并在不同程度上削弱泄漏涡的强度。周志华等[10]计算了某型涡轴发动机高压涡轮一级的三维流场。结果表明，锥形间隙能有效地控制间隙内的泄漏流速，减少间隙内的堵塞，从而提高其整体性能。在套管处理方面，Yang等人[11]发现自循环壳体处理后压缩机的稳定流量范围明显增大，这是由于叶片负荷降低、低能流体吸附能力降低和周向流量畸变能力降低所致。嵌入式耐高温轴流风机初步设计完成后，本文的气动设计流程在初步设计中进一步优化了S1流面上叶片和叶片的三维叠加，从而完成了详细的气动设计，达到了设计目标。嵌入式耐高温轴流风机的不同分区数的非轴对称套管处理。实验表明，合理的非轴对称壳体处理结构可以使压缩机的稳定裕度提高13%，峰值效率提高0.8%。提率的原因是加工槽对压气机叶顶流场产生低频非定常影响信号。嵌入式耐高温轴流风机在低速压缩机上测试了不同结构的斜槽壳体处理。实验表明，合理的配置可以提高压缩机效率1%~2%，而不会对失速裕度产生不利影响。
当嵌入式耐高温轴流风机叶顶间隙形状发生变化时，不可避免地会引起叶顶及其附近的吸力面和压力面流场的分布。由于叶尖间隙的存在，泄漏流将与通道内的主流混合，在吸入面顶角形成泄漏旋涡。嵌入式耐高温轴流风机与方案3相比，方案2具有几乎相同的区范围，但叶尖间隙较大，有利于防止动静部件之间的摩擦，而方案6具有明显的性能退化，易于分析其损耗机理。为此，分析了三种叶尖间隙：均匀间隙、方案2和方案6。旋涡是描述旋涡运动的重要特征量，其大小可以反映旋涡的强度。在间隙均匀的情况下，涡量分布从叶片前缘到后缘呈下降趋势，流入量能有效地粘附在吸力面上，因此嵌入式耐高温轴流风机涡量相对较小。结果表明，三段小翼可以改善叶栅顶部的流动状况，并在不同程度上削弱泄漏涡的强度。由于主流与泄漏流的相互作用，叶片顶端的涡度比吸力面大得多，较大涡度出现在吸力面拐角处和叶片顶端附近。中间叶片顶部涡度强度明显增大，这是由于间隙收缩导致叶片前缘泄漏面积增大，导致泄漏流量增大，主流与泄漏流量的混合程度增大，涡度强度增大。嵌入式耐高温轴流风机叶尖间隙的大小沿流动方向减小，即叶片叶尖越靠近壳体，泄漏旋涡越靠近叶片上部和中部。副作用减少。
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