幾何參數(shù)對離心葉輪強(qiáng)度和氣動性能影響的研究

　　使用有限元計算軟件和內(nèi)部流場計算軟件對所設(shè)計的幾個具有不同幾何尺寸的離心壓氣機(jī)葉輪的強(qiáng)度和氣動性能進(jìn)行了計算。結(jié)果表明反彎葉片可降低葉輪出口處葉片根部附近的應(yīng)力,但會造成葉片根部前緣區(qū)域應(yīng)力集中,且反彎葉輪的氣動性能和原型葉輪差別不大。前傾葉片能在很大程度上降低葉輪出口處葉片根部應(yīng)力,前傾角越大出口葉根處應(yīng)力減小越多;隨前傾角增大,葉輪氣動性能惡化程度加劇;葉輪的背盤形狀對葉輪的應(yīng)力影響較大,尤其是出口處的背盤厚度對出口處葉片根部區(qū)域的應(yīng)力起主因作用。研究得出葉片幾何及背盤形狀因素對葉輪應(yīng)力分布的影響規(guī)律,另外還得到了葉片幾何形狀對氣動性能的影響規(guī)律,這些工作為葉輪的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計提供良好的基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：離心壓氣機(jī);出口傾角;氣動性能;有限元強(qiáng)度

　　Abstract: For the purpose of multidisciplinary optimized to turbomachinery blade,it's necessary to study the influence of geometrical parameters like positive,negative curve and lean angle to the stress and aerodynamic performance of centrifugal impellers.Several different centrifugal impellers were designed and CFD calculation was performed to them.Finite element stress analysis was also performed to these centrifugal impellers over different blade profile and backface shape.The result shows that the negative curved blade could lower the maximum stress whereas brings stress concentrate at the blade hub leading edge zone,and doesn't bring notable damage to impeller's aerodynamic performance.The forward lean blade could minish the impeller stress with compromise to the impeller aerodynamic performance.Pressure ratio and efficiency are declined with the increases of lean angle.The FEA results also indicate that backface shape especially the thickness of the outlet backface of impeller has great effect on the impeller outlet zone stress.All these conclusions can be the foundation of multidisciplinary optimization of impeller.

　　Keywords: centrifugal compressor;lean angle;aerodynamic performance;finite element

　　成功商用的離心壓氣機(jī)葉輪，都經(jīng)過氣動優(yōu)化設(shè)計以達(dá)到最優(yōu)的效率和最寬廣的工作范圍;經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以達(dá)到滿足要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計在很多方面是相對立的，所以常常要經(jīng)過一定的折中以得到設(shè)計較合理的葉輪［1］。其中氣動設(shè)計可通過使用彎、掠、弓、傾等各種形狀的葉片來達(dá)到預(yù)期最優(yōu)的效率及工作范圍要求，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了較多的關(guān)于這些方面的研究。Bogod 利用多級壓氣機(jī)中典型的中亞音速級，研究了6 種不同彎曲型式的出口葉柵，其中最優(yōu)的一種反彎葉片使壓氣機(jī)級的效率提高最多為2 ～ 3 個百分點，且在整個特性區(qū)域中都是如此［2］。文獻(xiàn)［3 ～ 5］通過試驗考察了不同沖角下葉片傾斜和彎曲對壓氣機(jī)葉柵出口流場的影響，結(jié)果表明傾斜葉片能明顯減小葉柵端部損失; 正彎葉片可明顯改善葉柵根區(qū)氣流流動狀況，延緩壁角失速，降低端區(qū)二次流損失; 反彎葉片可有效控制葉柵內(nèi)的壓力分布，降低葉柵二次流損失，改善葉柵的氣動特性。文獻(xiàn)［6 ～ 8］采用數(shù)值方法研究了彎曲葉片對壓氣機(jī)葉柵氣動性能的影響。但是這些研究都是針對軸流壓氣機(jī)的，對于離心壓氣機(jī)的研究則比較少，因此有必要對離心壓氣機(jī)應(yīng)用彎曲、傾斜葉片的氣動性能進(jìn)行研究。

　　至于對葉輪強(qiáng)度的研究，文獻(xiàn)［9］對一車用渦輪增壓器葉輪強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的研究，給出了一套完整的分析方案。本文針對一個離心壓氣機(jī)葉輪，研究葉片的彎、傾對其氣動性能的影響; 同時還對葉片的彎、傾以及不同的背盤形狀對葉輪強(qiáng)度的影響進(jìn)行計算分析，從而為葉輪的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計提供良好的基礎(chǔ)。

　　(1) 對于離心壓氣機(jī)葉輪，明確了其主要的高應(yīng)力區(qū)有輪轂軸孔背部區(qū)域、葉片尾緣根部與輪轂相交區(qū)域及葉片根部區(qū)域。應(yīng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減小這些敏感區(qū)域的應(yīng)力分布;

　　(2) 反彎葉片可降低葉輪出口處葉片根部附近的應(yīng)力，但會造成葉片根部前緣區(qū)域應(yīng)力集中;在本文的彎曲形式中，反彎葉片的氣動性能要稍優(yōu)于正彎葉片，但差別較小。正如前面所說，葉片的彎曲型式、彎曲位置、彎曲程度及其它一些因素都會對葉輪的氣動性能產(chǎn)生很大的影響，要充分掌握彎曲葉片的特性需要進(jìn)行更詳細(xì)的研究;

　　(3) 葉片前傾能在很大程度上降低葉輪出口處葉片根部應(yīng)力，前傾角越大出口葉根處應(yīng)力減小越多; 而帶傾角的葉輪壓比小于原始無傾角葉輪，隨前傾角增大減小更多; 效率在大部分區(qū)域都低于原始葉輪，且也是傾角越大，效率下降更多;小前傾角情況下，葉輪的氣動性能可認(rèn)為基本與原無傾角原型葉輪一致，隨前傾角增大，氣動性能惡化程度加劇，但前傾角增大，葉輪的工作流量范圍也增大;

　　(4) 葉輪背盤形狀對葉輪強(qiáng)度影響較大，尤其是出口處背盤的厚度對葉輪出口區(qū)域的高應(yīng)力集中起主因作用。通過計算確定背盤的厚度取值可在出口葉高的1/5～1/4 之間。

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