几何参数对离心叶轮强度和气动性能影响的研究

　　使用有限元计算软件和内部流场计算软件对所设计的几个具有不同几何尺寸的离心压气机叶轮的强度和气动性能进行了计算。结果表明反弯叶片可降低叶轮出口处叶片根部附近的应力,但会造成叶片根部前缘区域应力集中,且反弯叶轮的气动性能和原型叶轮差别不大。前倾叶片能在很大程度上降低叶轮出口处叶片根部应力,前倾角越大出口叶根处应力减小越多;随前倾角增大,叶轮气动性能恶化程度加剧;叶轮的背盘形状对叶轮的应力影响较大,尤其是出口处的背盘厚度对出口处叶片根部区域的应力起主因作用。研究得出叶片几何及背盘形状因素对叶轮应力分布的影响规律,另外还得到了叶片几何形状对气动性能的影响规律,这些工作为叶轮的多学科优化设计提供良好的基础。

　　关键词：离心压气机;出口倾角;气动性能;有限元强度

　　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

　　成功商用的离心压气机叶轮，都经过气动优化设计以达到最优的效率和最宽广的工作范围;经结构设计以达到满足要求的结构强度。气动设计和结构设计在很多方面是相对立的，所以常常要经过一定的折中以得到设计较合理的叶轮［1］。其中气动设计可通过使用弯、掠、弓、倾等各种形状的叶片来达到预期最优的效率及工作范围要求，国内外已经进行了较多的关于这些方面的研究。Bogod 利用多级压气机中典型的中亚音速级，研究了6 种不同弯曲型式的出口叶栅，其中最优的一种反弯叶片使压气机级的效率提高最多为2 ～ 3 个百分点，且在整个特性区域中都是如此［2］。文献［3 ～ 5］通过试验考察了不同冲角下叶片倾斜和弯曲对压气机叶栅出口流场的影响，结果表明倾斜叶片能明显减小叶栅端部损失; 正弯叶片可明显改善叶栅根区气流流动状况，延缓壁角失速，降低端区二次流损失; 反弯叶片可有效控制叶栅内的压力分布，降低叶栅二次流损失，改善叶栅的气动特性。文献［6 ～ 8］采用数值方法研究了弯曲叶片对压气机叶栅气动性能的影响。但是这些研究都是针对轴流压气机的，对于离心压气机的研究则比较少，因此有必要对离心压气机应用弯曲、倾斜叶片的气动性能进行研究。

　　至于对叶轮强度的研究，文献［9］对一车用涡轮增压器叶轮强度进行了详细的研究，给出了一套完整的分析方案。本文针对一个离心压气机叶轮，研究叶片的弯、倾对其气动性能的影响; 同时还对叶片的弯、倾以及不同的背盘形状对叶轮强度的影响进行计算分析，从而为叶轮的多学科优化设计提供良好的基础。

　　(1) 对于离心压气机叶轮，明确了其主要的高应力区有轮毂轴孔背部区域、叶片尾缘根部与轮毂相交区域及叶片根部区域。应通过结构优化以减小这些敏感区域的应力分布;

　　(2) 反弯叶片可降低叶轮出口处叶片根部附近的应力，但会造成叶片根部前缘区域应力集中;在本文的弯曲形式中，反弯叶片的气动性能要稍优于正弯叶片，但差别较小。正如前面所说，叶片的弯曲型式、弯曲位置、弯曲程度及其它一些因素都会对叶轮的气动性能产生很大的影响，要充分掌握弯曲叶片的特性需要进行更详细的研究;

　　(3) 叶片前倾能在很大程度上降低叶轮出口处叶片根部应力，前倾角越大出口叶根处应力减小越多; 而带倾角的叶轮压比小于原始无倾角叶轮，随前倾角增大减小更多; 效率在大部分区域都低于原始叶轮，且也是倾角越大，效率下降更多;小前倾角情况下，叶轮的气动性能可认为基本与原无倾角原型叶轮一致，随前倾角增大，气动性能恶化程度加剧，但前倾角增大，叶轮的工作流量范围也增大;

　　(4) 叶轮背盘形状对叶轮强度影响较大，尤其是出口处背盘的厚度对叶轮出口区域的高应力集中起主因作用。通过计算确定背盘的厚度取值可在出口叶高的1/5～1/4 之间。

参考文献：
　　[1]BAINES N C.Fundamentals of turbocharging[M].Concepts NREC,2005.
　　[2]BOGOD A B.Direct and inverted calculation of 2Daxisymmetric and 3D flows in axial compressor bladerows[R].TsAGI,Moskow,Russia,1992.
　　[3]钟兢军,苏杰先,王仲奇,等.叶片倾斜和弯曲对扩压叶栅出口流场的影响[J].工程热物理学报,1995,16(1):29-34.
　　[4]王菲,吕剑虹,王刚.翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响[J].流体机械,2011,39(12):11-15.
　　[5]钟兢军,王苇,苏杰先,等.反弯曲扩压叶栅降低二次流损失的实验研究[J].工程热物理学报,1997,18(1):54-57.
　　[6]贾剑波,钟兢军,王仲奇.弯曲叶片压气机叶栅内二次流的数值研究[J].工程热物理学报,1999,20(6):685-689.
　　[7]王会社,钟兢军,王松涛,等.叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟[J].航空动力学报,2002,24(4):470-476.
　　[8]刘小民,高健.弯曲叶片对跨音速轴流压气机性能影响的数值研究[J].流体机械,2010,38(2):20-24.
　　[9]张虹,马朝臣.车用涡轮增压器压气机叶轮强度计算与分析[J].内燃机工程,2007,28(1):62-66.
　　[10]JAPIKSE D,BAINES N C.Introduction to turboma-chinery[M].Concepts NREC,1997.