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，本文设计了一台烘箱循环风机，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
烘箱循环风机
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，本文设计了一台烘箱循环风机，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。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、烘箱循环风机三维叶型技术，已经有了大量的研究工作。这与参考文献中得到的前、后缘对烘箱循环风机总压损失系数的影响是一致的。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，优化了烘箱循环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。
不同烘箱循环风机静叶设计点90%叶片高度剖面上的压力分布。从图中不难看出，原型直叶片的进口具有明显的正攻角，端弯叶片的载荷由于分离流动而减小。由于受叶片端部弯曲的影响，三维叶片的攻角几乎为零，并且由于端部流动的改善，载荷甚至略高于原型直叶片。研究了不同静叶对单级风扇级性能的影响。烘箱循环风机带有三个不同定子叶片的单级风扇级的效率特性。从烘箱循环风机中不难看出，端部弯曲定子可以有效地提高裕度，但由于定子损耗的增加，级效率降低了1.39%。前缘弯曲引起的叶片反向弯曲效应被叶片正向弯曲叠加所抵消。舞台效率略有提高，高点提高0.26%。失速边界越近，风扇级效率越明显。然而，在烘箱循环风机设计结果与设计目标的压力比与效率之间仍存在一定的差距，需要进一步的详细设计来弥补。同时，烘箱循环风机转子出口顶部的静压力随着定子叶片顶部的功能力的增加而降低（如图21所示，转子叶片出口直径上的静压力）。在方向分布上，将定子出口处的背压设置为接近失速的原型级工况，背压为114451pa，风机的失速裕度进一步从27.1%扩大到48.8%，推迟了叶尖泄漏引起的失速。
在烘箱循环风机机械中，为了防止旋转叶片和固定壳体之间的摩擦，叶片顶部和壳体之间必须有一定的间隙。由于叶尖间隙的存在，不可避免地会发生泄漏流。泄漏流与主流相互作用形成的泄漏涡将影响涡轮机械的内部流场和气动性能，尤其是效率、烘箱循环风机噪声和稳定的工作范围。因此，通过改变叶顶间隙形状，对叶顶泄漏流进行综合分析，提高涡轮机械的气动性能具有重要的现实意义和工程参考价值。目前，对叶尖间隙进行了一系列的实验和数值模拟研究，主要集中在叶尖和壳体两个方面。对于叶片顶部，Young等人[4]采用实验方法研究了单槽、双槽和上斜面对涡轮性能的影响。在此基础上，模拟了烘箱循环风机、类型和位置对轴流风机性能的影响，指出在设计流量下，叶顶双槽结构具有较佳的气动性能，风机效率提高了1.05个百分点。随着反应性的增加，动叶扩压系数增大，静叶扩压系数随反应性的减小而增大。对多级压缩机表明，叶根倒角还可以减小角区的失速，提高工作范围。烘箱循环风机带肩端间隙涡轮的研究表明，压力侧和吸入侧后缘槽都可以略微增大叶片顶面传热系数，但吸入侧后缘槽可以减小间隙的泄漏损失。
GAMBIT软件用于烘箱循环风机模型建立和网格生成。考虑到烘箱循环风机叶片翼型结构的复杂性和顶部区域的三维流动，首先选择三角形网格划分叶片顶部，并利用尺寸函数对网格进行细化，以保证烘箱循环风机网格质量。其它区域的网格划分为动叶区域网格作为参考，采用结构化/非结构化混合网格。为了保证精度和网格独立性，对原风机在216万、245万、286万和337万网格条件下的性能进行了模拟。结果表明，随着网格数量的增加，总压和效率逐渐接近样本值，337万和286万网格的总压和效率偏差分别为0.085%和0.024%。综合模拟精度和网格数确定了所用的总网格数。这个数字是286万。其中动叶面积198万片，集热器、导叶面积和扩压管网格数分别为30万片、26万片和32万片。弯曲高度和弯曲角度的选择是基于流入流的流动角度条件：如图5中蓝色箭头所示，定子叶片的流入角度受上游动叶片的影响，靠近端壁有两个不符合主流分布趋势的区域，而弯曲高度末端弯板的T应覆盖与流动角度匹配的区域。在模拟叶尖间隙形状的变化之前，将原始风扇的模拟结果与参考文献中的烘箱循环风机性能进行了比较。结果表明，在33.31-46.63m3_s-1流量范围内，总压和效率的平均相对误差分别为3.0%和1.5%，表明结果能够反映风机的实际性能。
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