轴流风机后导叶三维数值优化设计方法及其应用

轴流风机机翼型叶片参数化建模方法

如何进行轴流风机机翼型叶片参数化建模方法一、引言轴流风机在现代工业中起着至关重要的作用。

它们被广泛应用于空调系统、通风系统、发电厂和飞机引擎等。

轴流风机的性能和效率直接受到其机翼型叶片设计的影响。

对于轴流风机机翼型叶片的参数化建模方法的研究至关重要。

在本文中，将深入探讨轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的相关内容，并提出一些个人观点和理解。

二、轴流风机机翼型叶片的重要性1. 减小能耗轴流风机的主要任务是输送空气，因此其能效对于工业生产至关重要。

合理设计的机翼型叶片可以减小能耗，提高风机的效率，从而为工业生产节约能源和成本。

2. 提高稳定性良好设计的机翼型叶片能够提高轴流风机的稳定性和耐用性，降低风机运行时的噪音和振动，从而延长设备的使用寿命。

三、轴流风机机翼型叶片参数化建模方法1. 采用CAD软件进行建模利用CAD软件进行轴流风机机翼型叶片的参数化建模是一种常见的方法。

通过在CAD软件中进行参数化设计，可以方便快捷地进行叶片形状的调整和修改，从而实现机翼型叶片的优化设计。

2. 利用计算流体力学(CFD)进行仿真分析结合计算流体力学(CFD)方法，可以对轴流风机机翼型叶片的流场进行精确模拟和分析，从而优化叶片的形状和结构，提高风机的性能和效率。

3. 基于参数化建模的优化设计通过建立基于参数化建模的优化设计方法，可以对轴流风机机翼型叶片的关键参数进行全面的优化设计，从而实现最佳的风机性能和效率。

四、个人观点和理解在我看来，轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的研究对于提高轴流风机的性能和效率至关重要。

通过不断优化设计，可以实现能源的节约和环境的保护。

同时, 研究轴流风机机翼型叶片参数化建模方法也有助于加深对于风机流体力学行为的理解，对于未来的风机设计和改进有着积极的影响。

五、总结和回顾本文深入探讨了轴流风机机翼型叶片参数化建模方法的相关内容，介绍了CAD软件建模、CFD仿真分析和基于参数化建模的优化设计等方法。

轴流风机叶片的设计方法及实例

综合
的作用�传统的轴流通风机设计方法包括以气动性能良好的机翼为原始叶型的孤立叶型设计方法和基于二元叶栅理论的叶栅设计法，在上世纪 0 年代出现
了一些基于准三元流动的叶片造型方法�采用上述方参数，设计了一款实用新型旨在提供一种流量大, 全研法所设计的通风机叶片比较多的是平面叶片，虽然工 � � � 压高的系列变压器轴流通风机，其中表示风机艺简单，但性能较差�少量的扭曲叶片也大多是由平 � � 叶轮直径为 00 毫米，表示风机为前吹式�其总体究面叶栅叠加而成，而不是真正的基于全三维造型设计结构形式由电机, 叶轮, 导流罩, 支架, 机壳和防护罩的扭曲叶片，从而也影响了通风机的性能，因而很难等 6 部分组成�其特征是电机位于风机的进口端，电达到变压器轴流通风机流量大, 全压高的要求� 1. 轴流风机的叶片设计理论轴流风机设计的核心就是叶片型线设计 �本文机轴和叶轮相连，驱动叶轮旋转，电机由支架支撑，外面套有导流罩，导流罩位于风机的进口端，为中空的锥形柱体，底端面的直径和轮毂的直径相等，机壳
根据扭曲叶片理论，采用全三维造型来进行叶片流 � � 为直径 0 毫米的圆筒形�在进口端略呈喇叭口状，型设计，并结合空气动力学理论，应用变环量流型设以使气流平顺地进入风机的流道，在风机的进口端计方法，使叶片的做功分布更加符合运动规律，从而发挥出更高的功能转换效益� 首先，基于抛物面理论，我们在柱坐标下建立叶片中型面方程：（ - / ）其中：（） ( )/ ，通过参数 , 端面上有防护罩，以避免杂物进入风机流道和叶片发生撞击� 其中的风机叶片为特殊设计，在设计过程中采用了抛物面理论和不等功原理，对叶片的流型和流面进行全三维的造型设计，得到的叶片为三维的扭曲叶片，其特征为叶片不等厚，型面连续光滑，任一相贯面与型面相割，得到的相贯线呈流线形状的机翼形，以使得本实用新型具有优良的气动性能� 本实用新型的总体结构中，增加了导流罩部分，导流罩位于风机的进口端，套在电机的外面，其作用是使气流平顺地进入通风机的流道，从而提高风机

一种轴流式叶轮的全三维优化设计

［作者简介］张慢来（７一．２０Ｉ９）０５年大学毕业，助教，硕士生，现主要从事流体机械研究工作。９
（３）
式中，是湍流粘性系数； “ “ ，是脉动速度；湍流动能；是克罗内克尔函数；是变形率张量，是公式为：
一
螺旋线，螺旋角ｐ：２。叶片高度Ｂ一２ｒｍ，０，４ａ叶轮
转速叫一８０／ｎ转轴直径Ｄ。２ｍｍ，流筒内径０ｒｍｉ，：７导Ｄ＝９ｒｍ。对轴流式叶轮进行改进，要考虑叶２ａ要需型、叶片数等参数对内流场的影响。按以下３个步骤可
向力推动泥浆自下向上流动，冲散沙粒。在导流筒与内槽的环形空间，泥浆自上向下流动，形成循环流动。由试验发现，叶轮的排液量较小，未能有效地冲散沙粒，需要对轴流式叶轮进行改进，以改善叶轮的水力性能。随着计算技术的飞速发展，计算流体动力学（ＦＣＤ）已经可以深刻了解、分析流体机械内
用的涡粘性解析式。些改进保证了Ｒ这ＮＧｋ－型在大范围的湍流模拟中能有较高的精度嘲。ｅ模
部的流动状况。运用ＣＤ进行流体机械设计可以大大缩短设计周期、节省实验费用，是ＣＤ应用的前ＦＦ沿Ｌ。笔者应用ＣＤ方法，通过数值模拟，对该装置的内部结构进行改进。１ＪＦ
１研究方法
轴流式叶轮的有关参数如下：叶片内外缘轮廓为

基于CFD模拟的轴流风机扇叶设计优化研究

基于CFD模拟的轴流风机扇叶设计优化研究摘要：本研究采用计算流体动力学（CFD）模拟方法，旨在优化轴流风机扇叶的设计以提高性能和效率。

通过数值模拟，我们系统地研究了不同扇叶参数对风机性能的影响，并提出了一种优化设计方案，以实现更高的能效和性能。

研究结果表明，通过CFD模拟可以有效地改善轴流风机的性能，并为风机工程领域的进一步发展提供有力支持。

关键词： CFD模拟；轴流风机；扇叶设计；优化；性能一、引言轴流风机作为工业和商业领域中广泛应用的关键设备，对能源效率和性能提出了不断增长的需求。

其中，扇叶作为轴流风机的核心部件，其设计和优化对整个风机系统的性能至关重要。

随着计算流体动力学（CFD）模拟方法的不断发展，研究人员可以更深入地理解风机流场，并进行更精确的性能预测和优化设计。

二、文献综述2.1 轴流风机的发展历程轴流风机作为工业领域的核心设备，其发展历程从19世纪末至今经历了令人瞩目的进步。

早期，轴流风机的设计主要依赖于经验和试验，限制了其性能和效率。

然而，随着科学和工程技术的进步，数学模型、实验室测试和计算流体力学等新方法的应用使轴流风机的设计变得更精确和可预测。

这些技术创新促使了风机的能效提升、噪音降低和寿命延长，从而为各行业带来了更高水平的气流控制和空气处理能力。

2.2 扇叶设计的重要性扇叶作为轴流风机的核心组成部分，其设计对风机性能至关重要。

扇叶的几何形状、叶片数目、叶片角度等参数直接影响风机的效率、噪音产生、能耗和寿命。

一个优化的扇叶设计可以显著提高风机的能效，降低运行成本，减少环境影响。

所以，深入研究和优化扇叶设计是提高轴流风机性能的关键步骤。

近年来，计算流体动力学（CFD）模拟技术的不断发展已经引领了轴流风机研究的新时代。

这一技术的崭新应用为风机工程领域带来了深刻的影响。

通过CFD，研究人员能够以前所未有的准确性模拟轴流风机内部复杂流动现象，如湍流、涡流和分离现象。

这种全面的流场信息为风机性能的深入理解提供了强大工具，并且为设计和优化提供了坚实基础。

管式斜流风机后导叶的数值设计和优化

2 后导叶的数值设计
后导叶雏形的数值设计首先是导叶型线、叶间轴向距离、叶片数和导叶安装角等主要参数的确定。由于这是雏形，有些参数以后还要优化，所以可以先大致选定。导叶轴向型线按常规采用为圆弧，相应的轴向长度为 150mm （参考动叶叶根轴向宽度为 300mm，叶顶为 150mm），其前缘（进口）几何角选为叶轮后来流流动角，由数值模拟确定，它沿着径向是变化的，但出口几何角沿径向均为 900，所以导叶径向是扭曲的。导叶离叶轮后盘轴向距离（即叶间距离）选为 108 mm，叶片数选为 9 （与动叶数 8 互质）。雏形导叶的数值设计除确定上述参数成型导叶，并合适地安装在管道中，完成叶片建模，其要步骤如下：（1）确定导叶的进口几何角：根据无导叶数值模拟结果的动叶出口轴向距离为
3 导叶优化
导叶优化的主要参数为叶间距离、导叶型线、安装角、叶片数等。 3.1 叶间距离优化导叶分别安装在叶间距离为 68mm， 108mm，190mm 处，注意：上述 3 种方案中，导叶仍为轴向长度 150mm 的圆弧叶片，但叶片成型时的叶片进口角都是对应原机无导叶时的来流角，它们随不同叶间距离位置是不同的，所以导叶成型不同、安装角也是不同的，但导叶数仍为 9，用
量的壁面静压作为风机出口静压，加上 8.5d 的管道摩擦损失和轴向平均动压（10.6Pa）作为风机出口全压，减去风机进口全压后就是风机全压，它再减去 10.6Pa 就是风机静压，网格试验的计算结果如表 1 所示。
表 1 网格实验数值模拟结果（n=1500rpm,Q=6000m /h）网格数/万风机全压/pa 全压效率/% 叶轮效率/% 风机静压/pa 静压效率/% 200 505.2 42.7 78.9 494.6 41.8 300 508.6 43.2 78.8 498.0 42.3 377 514.3 43.7 78.7 503.7 42.8

新型舰船轴流风机优化设计(论文)

1 设计参数及风机结构本文设计的舰船用轴流风机是对传统型号的轴流风机的一个优化系列产品。具体设计参数为：风机叶轮直径 740mm；风机转速为 1450r/min；风量 27500 （1±5%） m3/h；全压 690 Pa；振动烈度 4.5mm/s；噪声 ≤90 dB；风机输送介质为空气，密度为 ρ=1.2kg/m3。风机的基本结构如图 1 所示：
3 主要部件技术要求
3.1 风筒
风机风筒采用优质钢板焊接而成，保证足够的强度。设计过程中采
用先进的 ANSYS10.0 有限元分析软件，对风筒进行三维造型，并模拟
分析其强度，保证其满足使用条件的要求。
3.2 电动机
电机作为风机的重要组成部件，其防护等级、绝缘等级、防湿热等
都要有一定的保证，选取具有舰船产品制造合格认证的电动机产品。
ns=5.54×n×
姨Q
姨4 P3
=5.54×1450×
姨7.64
姨4 6903
=166
由计算结果 Ψt=0.36，选取d軈=0.55 适宜，则此时轮毂直径 d 为：
d=d軈·D （0.55×0.74） m =0.407m 取 d=0.41m，即轮毂直径为 d=410mm。
2.6 计算无因次轴向速度軓Ca和轴向速度 Ca
由设计参数 Q=27500m3/h； P =690 Pa 和风机全压效率
ηt=70%；则 N 为：
N
=K·1Q·P 0 Nhomakorabea0·ηt
=1.1×
7.64×690 1000×0.7
=8.28kw
根据电动机功率与风机轴功率的关系 P≥N=8.28kw，选取电动机
的功率为 11kw，转速为 1450r/min。

子午加速轴流风机的全三维优化设计

ＡｂｔａｔＴｒｅｄｍｅｓｎｌｐｉｉａｉｎｄｓｎｏｎａｉａｉｒｉｎｃｅｅａｉｎｉｃｎｕｔｄｂｈｔｏｌｔｒｅｓｒｃ：ｈｅｉｎｉａｔｚｔｅｉａｘａｆｗｔｍｅｄｏａａｃｌｒｔＳｏｄｃｅｙｔｅｍｅｈｄｏｆｌｈｅｏｏｍｏｇｆｌｎｈｉｌｏｆｕ
子午加速轴流风机的全三维优化设计
陈海生。谭春青。梁锡智
（中国科学院工程热物理研究所，北京１０８）０００摘要：采用流场结构分析和叶片造型调整结合的全三维优化设计方法，对子午加速轴流风机进行了优化设计。结果
表明：在不改变风机外径、转速和间隙的情况下，风机的性能得到大幅改善，计工况下风机效率达到８．％，高了设３３提ｌ．％；８２风机的内部流场合理，没有明显的分离和回流；机出口全压分布均匀，风除叶片尾迹外无明显低压区；同时，风机的性能曲线比较平滑，变工况性能好；经性能实验验证，优化设计后的风机各项指标均达到了设计要求，明该风机的全说
ｄｅｓｍｐｉｉｔｎｄｓａｅｎｔｏａｓｎｌｅｏｌｍｄｆａｏ．Ｔｅｒｕｔｓｏａｔｅｐｒｒａｃｅｉｎｉｌｔｚｉｅｉｂ８ｄｏｅｆｗａｌｉａｄｂｄ￣ｒｅｏｉｔｎｈｓｌｗｔｔｈｅｏｎｅｏｔｍｍｏｍａｏｎｇｈｌｎｙｓａｉｆｉｉｃｅｓｈｈｆｍｆｈ

10MW轴流空气透平叶片全三维反向优化设计

10MW 轴流空气透平叶片全三维反向优化设计张馨元安恩科夏国龙同济大学机械与能源工程学院摘要：以10MW 轴流空气透平某级叶片为研究对象，利用 ANSYS ICEM 对其进行模型创建和网格划分，利用 Fluent 对其进行三维数值模拟。

通过控制载荷的方法对动静叶进行三维反向优化设计，结果表明，优化后的叶形表面压力分布由于优化前，载荷分布更加合理，附面层转捩产生回流的现象得到改善，最终优化结果使得级相对内效率从85.23%提高到现在的92.24%，提升了7个百分点，明显提升了级的气动性能。

关键词：数值模拟反设计载荷分布Three Dimensional Optimization Design Methodof 10MW Axial Flow Air Turbine BladeZHANG Xinyuan,AN Enke,XIA Guolong School of Mechanical Engineering,Tongji UniversityAbstract: Taking 10MW axial flow air turbine as the research object,the model is created and meshed by ANSYSICEM,and threedimensional numerical simulation is carried out by fluent.On the blade 3D reverse optimization design,through the method of load control results show that the optimized blade surface pressure distribution due before optimization,the load distribution is more reasonable,the boundary layer transition from backflow phenomenon has been improved,the final optimization result stage relative efficiency is increased from 85.23%to 92.24%now,up 7%, significantly enhance the level of aerodynamic performance.Keywords:numerical simulation,inverse design,load distribution收稿日期： 2016519作者简介：张馨元（1992~），男，硕士研究生；上海市嘉定区曹安公路 4800号同济大学嘉定校区开物馆A312室（201804）； Email:*****************0 引言电能有一个非常大的缺点：不便储存。

轴流风机流场分析及导流板优化

轴流风机流场分析及导流板优化盛晓茜;赵玉军【摘要】通过数值计算方法对风机流场进行分析,通过不断优化改进导流板,得到了最佳的风场结构.在不改变风机叶片转速的情况下提高了风机运行的稳定性,减小了风机出口的风压,达到生产需求.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2012(000)003【总页数】3页(P33-34,37)【关键词】风机;导流板;优化;数值计算【作者】盛晓茜;赵玉军【作者单位】甘肃省机械科学研究院,甘肃兰州730030;甘肃省机械科学研究院,甘肃兰州730030【正文语种】中文【中图分类】TH1231 前言风机是应用于干燥设备的主要动力源，多年来一直被作为研究对象［1］。

导流板是用于复杂结构或者对流场要求较高的设备的重要部分［2］，虽然该部分在大多数普通设备中要求不高，但是对于本文所研究的干燥设备，导流板是重要的一部分。

导流板的研究不仅对于本文所研究的干燥设备具有指导意义，也对其他相关设备具有参考价值。

通过整体建模，应用Flunt软件对风机进行仿真，采用了k－e模型和SIMPLER算法得出了比较真实的风机流场，通过对流场的分析得出了最优的导流板结构和位置。

2 计算模型计算模型如图1所示，风机入口直径为0.52m，风机叶片倾角为45°，出口和入口均为压力出入口，初始状态入口、出口压力为0，入口处进入热风温度为130℃;风机叶片转速为1470r/min。

图1 风机模型初始状态不加导流板。

通过分析初始状态的流线和湍流度，加入一个导流板，如图2所示。

通过对图2所示导流板多次分析，并对干燥设备所用风机导流板逐步优化，最终得出了如图3所示的理想导流板结构，该结构可以很好的起到均匀流场和加快热风循环的目的。

图2 风机初始流线图图3 风机初始风速矢量图3 数学方法本文采用标准k－e两方程湍流模型，湍动能和粘性耗散率均有经验公式给出。

通用控制方程可以表达成如下形式［3－4］:对于T广义扩散项系数为［5］:S为源项:通过采用一节迎风格式对上述基本方程进行离散，近壁面处采用标准壁面方程计算如式(9)［6］:式中:Δyp是近壁面节点P到固壁面的距离，通常认为y+＜11.63为层流区域，而y+≥11.63为对数率层，即湍流核心区。

轴流风机性能的优化设计

轴流风机性能的优化设计摘要本文基于CFD方法研究了不同形式的叶片前掠对轴流风机性能的影响。

首先，对轴流风机进行了叶片前掠设计，然后，基于数值模拟方法，对两种前掠形式的叶片与原型叶片进行了气动性能的计算和对比分析。

最后，提取了叶轮流场的局部欧拉压头，对叶片前掠的气动影响机理进行了分析。

结果表明，叶片中部前掠可提高轴流风机叶轮设计流量点的气动性能，并保持全流量范围内较佳的气动性能；在设计流量点，叶片中部前掠使得轴流风机叶轮叶顶处的叶片载荷更趋集中于前部，有利于抑制叶轮的叶顶泄漏，进而提高风机的效率。

关键词叶片掠形；轴流风机；局部欧拉压头；1引言轴流风机是一种广泛应用于工业和生活的旋转叶片式流体动力机械。

由于具有流量大、结构简单且易于维护等优点，其在通风设备、空调以及电子、电器冷却器中非常常见。

风压和效率是风机最基本和重要的两个气动性能指标。

为满足实际中的应用需求并节约能源，对提升轴流风机气动性能的技术方法进行研究十分必要和亟需。

为提高轴流风机的气动性能，学者们采用各种方法进行了大量的研究。

其中，部分研究采用了优化的方法，致力于通过选取一系列不同几何参数作为设计变量，对某一特定轴流风机的气动性能进行优化。

Lee等人[1]选取叶片掠形引导线和叶片截面形状作为设计变量，通过数值优化方法提高了一低比转速轴流风机的效率。

叶片掠形方式是叶轮的基本和主要结构要素之一，对其性能有着非常重要的影响。

叶片弯掠即对叶片沿展向方向采用倾斜或者弯曲的掠形方式。

适当的叶片前掠可以提高叶轮的气动性能，降低风机的动静干涉，进而减少振动和噪音[2,3]。

不同形式（如倾斜、弯曲等）的叶片前掠对叶轮性能的影响不同，但目前少有针对其不同影响以及机理的相关研究。

本文针对轴流风机，采用CFD方法研究了不同形式叶片前掠对性能的影响，并对其机理进行了分析。

2叶轮模型本文主要针对原型叶片的前掠进行了优化设计，其原型叶片和优化的整体前掠叶片及中部前掠叶片如下图1所示，相比原型叶片，整体前掠叶片的叶顶部分在叶轮旋转方向上更加前伸，而中部前掠叶片则展向的中部部分更加前凸。

轴流风机扇叶的流场分析与改进

基于 CFD 的轴流通风机叶片的流场分析与改进设计摘要：通过计算流体力学（CFD）方法对轴流通风机叶片的流场进行了虚拟样机的数值模拟，不仅得到了流场的工作特性数据，而且提出了对叶片叶型的改进设计方案，并通过真实样机的试验验证了数值模拟分析的正确性和改进设计的可行性。

最后，还对数值模拟与真实试验数据之间的差异原因进行了讨论。

关键词：轴流式通风机；叶片；CFD；流场分析；改进设计0 引言轴流通风机的传统设计方法主要有两种：一种是利用孤立翼型进行空气动力试验所得到的数据进行孤立翼型设计，称为孤立翼型设计方法；另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称为叶栅设计方法[1]。

试验测量方法所得到的试验结果真实可信，但往往受模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度等的限制，有可能很难通过试验方法得到结果。

此外试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

计算流体力学（CFD）的计算方法是近年来发展起来的新型独立学科，它兼有理论性和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术[2]。

轴流通风机叶片作为关键部件，其性能直接影响着风机的性能。

轴流通风机设计的主要任务就是设计出能保证各项性能要求的高效率叶片。

本文介绍的是采用现今先进的 CFD 方法，以一款汽车用冷凝器风扇的叶片为例，进行探索性的流场分析与改进设计研究。

1 叶片的 CFD 流场分析1.1 对象描述该风扇总成的整体三维图如图 1 所示。

叶片直径为 250mm，材料为 PP，其技术要求：在静压 p=－50Pa（风机进口处的压力比周围空气低 50Pa），转速为 2600r/min 的情况下，风扇总成在一个标准大气压、温度为 20℃、相对湿度为 50%的空气，用标准电机在 12V 的电压下进行送风测试时，其送风量应≥900m3/h，标准电机工作电流应≤7A。

基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计

基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计
刘虎;郑小波;罗兴锜;廖伟丽
【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2006(022)001
【摘要】本文提出了一种结合全三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮设计方法.即在对轴流式水轮机转轮叶片进行全三维反问题设计的基础上,然后以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标,小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片.由于此方法结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性,以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性,可以得到比较理想的转轮叶片.
【总页数】3页(P1-3)
【作者】刘虎;郑小波;罗兴锜;廖伟丽
【作者单位】西安理工大学,陕西,西安,710048;西安理工大学,陕西,西安,710048;西安理工大学,陕西,西安,710048;西安理工大学,陕西,西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】TK73
【相关文献】
1.采用基于神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法开发高载荷透平动叶片 [J], 周凡贞;冯国泰;蒋洪德
2.全三维轴流式透平叶栅离散伴随气动优化设计 [J], 卢娟;丰镇平
3.基于遗传算法的轴流式水轮机叶片优化设计 [J], 崔涛;
4.基于遗传算法的轴流式水轮机叶片优化设计 [J], 崔涛
5.一种轴流式叶轮的全三维优化设计 [J], 张慢来;冯进;丁凌云;汪飞;王伟
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基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计

第!!卷第"期!##$年%月西北水力发电&’()*+,’-*’)./012./34)’1,15.)657’01)89:;!!<9;"================================================================>?@;!##$文章编号A"$B"C D B$E F!##$G#"C###"C#%基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计刘虎H郑小波H罗兴钅奇H廖伟丽F西安理工大学H陕西西安B"##D E G摘要A本文提出了一种结合全三维反问题计算与遗传算法优化的轴流式水轮机转轮设计方法I即在对轴流式水轮机转轮叶片进行全三维反问题设计的基础上H然后以平面叶栅表面边界层中的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为目标H小生境遗传算法进一步对转轮叶片进行优化以得到更为理想的转轮叶片I由于此方法结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性H以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性H可以得到比较理想的转轮叶片I关键词A全三维反问题设计J遗传算法J优化设计中图分类号A K L B%文献标识码A M近年来H遗传算法在航空N水利N机械制造等许多领域都得到了广泛的应用H取得了很好的效果H充分体现了遗传算法的优越性I与一般算法相比H遗传算法更适合优化复杂的非线性多目标问题I在对解决轴流式水轮机转轮叶片优化设计的多目标优化设计问题H较一般算法有明显的优势I 随着计算流体力学的迅速发展H设计技术的不断进步H对水力机械的综合性能提出了越来越高的要求H传统的设计方法已满足不了发展的需要H优化设计和三维反问题计算也愈来愈受到重视H逐渐成为主流的转轮设计方法I因此H对遗传算法和全三维反问题设计方法进行结合具有很高的实用价值IO数学模型我们可以结合这两种方法H首先运用全三维反问题设计方法对叶片进行初始设计H可得初始叶片上若干断面骨线H以这些断面的骨线安放角P Q作为染色体H可将这些骨线随机组成许多不同形状轴流式叶片H将这些骨线角的随机组合即叶片作为小生境遗传算法的初始种群H以叶片的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为多目标H对该种群进行选择N变异N交叉运算H经过遗传算法进行全局寻优H最后得到最优解IO;O全三维反问题设计方法基本方程在流动无粘不可压条件下H用叶片附着涡和源汇代替叶片作用H依据流动的周期特性H将转轮内三维有旋流动分解为周向平均流动和三维周期性流动的迭加H由R:S T U V公式和欧拉方程导出了轴对称平均流动控制方程和周期流动控制方程I 引入周期函数H三维周期流动控制方程则简化为关于三维势函数各调和项的二维W S:XV9:Y Z方程H使得三维周期性流动求解大为简化H根据无粘流动叶片滑移条件H可导出叶片方程H在给定叶片速度矩分布N厚度分布N转轮轴面几何形状的条件下H迭代求解流动控制方程和叶片方程H这样就可实现对轴流式水轮机转轮带厚度的全三维有旋流动反问题设计I将转轮内的流动分解为周向平均收稿日期A!##[C#E C"[基金项目A国家自然科学基金资助项目F[#%B\#D D H\#D"##"\G H教育部高等学校博士点专项基金资助项目F!##D#B####\G H陕西省教厅专项科研计划项目F#[]L!$D G作者简介A刘虎F"\E#C G H男H山东蓬莱人H西安理工大学在读硕士生I流动与周期流动!"#$"%#&"’#根据()*+,-公式周期性流动流速可表示为!"%#$./012324567085.9:31转轮区周向平均流动的流函数控制方程!;;1<1=>;?@A ;1&;;4<1=>;?@A;4$;>;1;9:31;46;>;4;9:31;1&<"’B ;C :1;1"’4&"’31;>@A ;46;C :1;4"’1&"’31;>@AD E ;1叶片中面方程!"’1;>;1&"’4;>;4$<1B 09:316F 1B56"%#G .H叶片周向加厚!I 30123245$I J01245<&1B ;>@A ;1B &1B ;>@A;4D E B <BK L M 优化模型本文的遗传算法优化模型为!N $>0O <2O B 2O P 2O Q 2O R 2O S5T $G 0O <2O B 2O P 2O Q 2O R 2O S UV W 5式中!N 为叶片的损失系数2T 为叶片的气蚀系数2O <2O B 2O P 2O Q 2O R 2O S 为选定叶片断面的骨线安放角XK L Y 约束条件叶片优化时的约束条件有几何约束Z 流动约束Z 能量约束等X 在确定约束条件时应考虑在允许的情况下2尽量减少约束条件的数目X 本文提出约束条件有环量约束2以此来满足给定的环量2除此之外2还有速度分布约束Z 边界层无分离约束等X K L [小生境遗传算法0\]^5的优化过程0<5设置进化代数计数器I _<‘随机生成a 个初始个体组成初始群体b 0I 52并求出各个个体的适应度c d 0e $<2B 2f2a5X0B 5依据适应度进行降序排列2记忆前g 个个体0h i a5X0P 5选择运算!对群体b 0I 5进行比例选择运算0j k l j l k m n l o p )q l r *)5得到b 0I 5s X 个体被选中的概率!b 0e 85$c e t u aJ $<c d0e $<2B 2f2a50Q 5交叉运算!对选择出的个体的集合b 0I 5s 作单点交叉运算0l o *v j l n o mw k l ,,l x *k 5得到b 0I 5y X0R 5变异运算!对b 0I 5y 作均匀变异运算0z o n v {l k q q z m p m n l o 52得到b 0I 5|X0S 5小生境淘汰运算!将第R 步得到的a 个个体和第B 步所记忆的h 个个体合并在一起2得到a &h 个个体的新群体2对a &h 个个体按照下式求出每两个个体}e 和}d 之间的海明距离!~}e &}d ~$u a!$<}e !5&}d !5"B0e t d $<2B 2f 2a &h 6<5当~}e &}d ~i #时2比较个体}e 和}d 的适应度大小2并对其中适应度较低的个体处以罚函数!c q n o0}e 2}d 5$j *o p )m $X 0%5依据这a &h 个个体的新适应度对各个个体进行降序排列2记忆前h 个个体X0&5终止条件判断!若不满足终止条件2则更新进化代数计数器I _I &<并将第%步排序中的前a 个个体作为新的下一代群体b 0I 52然后转到第P 步开始循环‘若满足终止条件2则输出计算结果2算法结束XM 数值算例M L K 设计参数以’’Q Q (轴流式水轮机为研究对象2以骨线角为优化变量生成初始种群2以气蚀系数Z 损失系数计算个体适应值2对轮毂处的平面叶栅进行小生境遗传算法优化设计2取得了理想的优化结果X基本参数为!)<($(L &q Pt ,2J <($<<Rk t qn o 2J 8$QQ (*+,24&S 2-.$(L R给定设计参数为J 8$<L P J <(2)/$<L Q R )<(20$<q2-$<qM L M 优化变量取值范围取各优化变量O e 在初始骨线角的基础上左右波动B (12即可得到优化变量的取值范围X M L Y 遗传算法变量选择本文采用可以较好处理多峰问题的基于共享机制的小生境技术遗传算法X 对各个优化参量采用实编码2权衡考察结果2当种群规模h $Q (2杂交概率b 2$(L %2变异概率b 3$(L P 2海明距B西北水力发电第B B 卷图!优化模型图图"流场计算区域图#骨线比较离阀值$%&’()时*就本例而言*可望得到较好的算法形态+上述思想用,-./.01234567898:3;语言编程实现*先分别以叶栅损失和气蚀系数最小为单目标进行优化+而后*运用距离法进行多目标优化+应用小生境遗传算法*对应用奇点分布法所得的叶片骨线的骨线角进行多目标优化设计*取得了理想的结果+如图#所示+<结论综上所述*由于在对轴流式水轮机转轮叶片进行全三维反问题设计的基础上*进一步以轴流式叶片的流动损失最小和翼型气蚀系数最低为多目标对转轮叶片进行小生境遗传算法优化*这样便结合了全三维反问题方法对有厚度叶片计算的准确性*以及遗传算法对解决多目标优化问题全局搜索的准确性*可以得到比较理想的转轮叶片+参考文献=>!?冯建军(基于遗传算法的平面叶栅优化设计>@?(西安理工大学*"’’"(>"?彭国义*罗兴钅奇*等(轴流式水轮机转轮全三维有旋流动反问题计算>A?(水利学报*!B B C *D !’E =!’F !G (>#?罗兴钅奇(水力机械转轮现代设计理论及应用>H?(西安=西安交通大学出版社*!B B G (>I ?林汝长(水力机械流动理论>H ?(北京=机械工业出版社*!B B I (>)?曹昆鸟*姚志民(水轮机原理及水力设计>H?(北京=清华大学出版社*!B B !(>C ?刘大恺(水力机械流体力学>H ?(上海=上海交通大学出版社*!B J J (>G ?玄光男*程润伟(遗传算法与工程优化>H?(北京=清华大学出版社*"’’"(>J ?王小平*曹立明(遗传算法理论应用与软件实现>H?(西安=西安交通大学出版社*"’’"(K L M N O P Q R S T N U V W X Y P L Q P V Z [\]N V S ^[V V S \_Q P ‘Sa b c d e *f d g 1h i :93F j 3*a c-i :;k F l :*a b 0-m5:F n :D i :o 9;c;:p 56q :8r3s /5t u ;3n 3k r *7u 99;v :i :o 9;G !’’I J *w u :;9Ex ]T M \P y M =0;3z 8:{9n |5q :k ;{58u 3|*j 9q 5|3;k 5;58:t 9n k 36:8u {9;|8u 655F |:{5;q :3;9n :;p 56q 5z 63j Fn 5{|5q :k ;{58u 3|*u 9q j 55;e q 5|83:{z 63p 58u 5|5q :k ;3s 9}9z n 9;8e 6j :;5(/u :q {58u 3|:q 9z z n :5|838u 5|5q :k ;3s 6e ;;56k 53{586r *t 3;q :|56:;k 8u 5:;8569t 8:3;j 58455;6e ;;56j n 9|5q 9;|s n 34(b 89n q 3u 9q 8u 59|p 9;89k 53s ;:t u 5k 5;58:t 9n k 36:8u {:;q 3n p :;k{e n 8:3j ~5t 8:p 5z 63j n 5{q (d 5;t 5*j re q :;k8u :q 3z F8:{9n |5q :k ;{58u 3|45t 9;3j 89:;j 588566e ;;56j n 9|5t 3{z 96583869|:8:3;9n |5q :k ;{58u 3|(Y S !"W \‘T =/u 655F |:{5;q :3;9n :;p 56q 5z 63j n 5{#k 5;58:t 9n k 36:8u {#3z 8:{:$98:3;#第!期刘虎*基于遗传算法的轴流式叶片全三维优化设计。

轴流风机叶片优化设计仿真与模态分析

2017 No. 6重型机械• 71•轴流风机叶片优化设计仿真与模态分析周勃1，王慧\张亚楠2(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳110870;2.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)摘要：针对轴流风机在运转过程中，会碰到由于叶片的共振而引起的工作性能下降，本文利用计算流体力学（CFD)和模态分析理论，通过建立优化设计叶片的有限元模型进行仿真和模态分析，得到三种类型叶片在额定转速下流量-静压曲线和叶片的各阶固有频率及相应振型图，分析了进行叶片优化后风机性能有所改善的原因。

结果表明，优化设计后改善了轴流风机工作性能，最大流量提升了5. 8%，最大静压提升了 7. 3%，并通过差值比较得出叶片表面布置为逆螺旋三棱柱体为最佳优化方案，其叶片固有频率升高2. 3%。

关键词：轴流风机；叶片优化；模态分析中图分类号：TH43 文献标识码：A 文章编号：1001 -196X(2017)06 - 0071 -05Simulation and modal analysis of optimization design axial-flow fan bladesZHOU Bo1,WANG Hui1，ZHANG Ya-nan2(1. School of architecture&civil engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China；2. School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China )Abstract ：In view of the reduction of working performance that due to the resonance of blade for axial-flowfans, the analysis of the simulation and the modal is made through the establishment of the finite element modelfor blades in optimal design by using the computational fluid dynamics ( CFD) and the theory of modal analysis,which obtained the curve of flow-static pressure for three type blades under the rated rotor speed, and the bladesdifferent natural frequencies with the shapes of vibrating mode, and the reason of the improvement in workingperformance of the optimized fans is discussed. The result shows the maximal flow rises 5. 8% and the maximalstatic pressure increases 7. 3%. Setting the reverse triangular prisms spiral on the blade surface is considered asthe best optimal program and the natural frequency in this kind of design rises 2. 3% .Keywords：axial-flow fan；blade optimization；modal analysis/-v、 t ‘.>，〇刖s随着轴流风机在空调、冷却设备等机械制造业以及通风、散热等建筑业中的应用愈发广泛，风机噪声的影响日渐受到重视，而针对轴流风机收稿日期：2016 -11 -06;修订日期：2017-01-22基金项目：国家自然科学基金项目（51575361 );中国博士后科学基金项目（2014M560220);辽宁省百千万人才工程项目（2015049)作者简介：周勃（1976 -),女，辽宁沈阳人，博士，教授，博士生导师，主要从事风力机状态监测和故障诊断。

基于AxSTREAM的动叶可调轴流风机后导叶的匹配设计

基于AxSTREAM的动叶可调轴流风机后导叶的匹配设计肖云峰;黄俊强;张志莲;孙哲;邓若飞【摘要】基于一体化透平机械设计平台AxSTREAM完成对某型商用R级动叶可调轴流风机的后导叶匹配设计;并对比分析了设计后R+S级和设计前R级风机的性能.结果表明,对R级动叶可调轴流风机匹配后导叶,能够部分地利用叶轮出口旋绕动能,提高通风机的压力,使得通风机效率也相应地得到提高.此外,为轴流风机的气动设计计算提供了快捷高效的数值方法.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2016(058)002【总页数】4页(P62-65)【关键词】轴流通风机;动叶可调;气动设计;性能分析【作者】肖云峰;黄俊强;张志莲;孙哲;邓若飞【作者单位】北京石油化工学院;北京石油化工学院;北京石油化工学院;北京石油化工学院;北京航天试验技术研究所【正文语种】中文【中图分类】TH432.1;TK05动叶可调轴流风机在运行中可调动叶安装角，其工况范围不是一条曲线，而是一个面。

所以流量变化范围大、高效率运行区宽广，多用于大容量机组，特别是大容量变工况机组采用动叶可调轴流风机，其节能效果非常显著，大大地降低了运行成本。

轴流风机的型式主要有：单叶轮级（R级）、叶轮+后导流器级（R+S级）、前导流器+叶轮级（P+R级）、前导流器+叶轮+后导流器级（P+R+S级）4种[1]。

其中R级的型式只有单个叶轮，这种级的压力和效率均较低。

由于没有后导流器，风机出口绕流速度的部分动能未加以利用，产生了无益的损失。

这种级型式虽然结构简单、制造方便，但它的全压相对较低，这种型式的风机主要用在压力比较低的低压轴流风机中[2]。

本文主要基于现有的某型商用R级动叶可调轴流风机进行后导叶匹配设计，目的在于能够部分或全部地利用叶轮出口旋绕动能，以提高通风机的压力，使得通风机效率也相应地得到些提高。

采用商业叶轮气动设计软件AxSTREAM，进行了动叶气动分析及叶型构造，得到了动叶不同截面的速度三角形、气流出口角等参数；根据分析得到的气动参数进行后导叶的气动计算，完成动叶后导叶的匹配设计。

单级轴流风机准三维设计

单级轴流风机准三维设计刘晓明;苏莫明;田琳【摘要】详细地讨论了用流线曲率法对单级轴流风机进行准三维设计的方法和步骤,结合平面叶栅法和流线曲率法解决了单级轴流风机的设计问题,这种方法让叶片造型更加适应流场的分布,可以达到较好的增压效果.最后得到叶片前后缘气流参数和动静叶片中心面的形状,并对算例设计结果的压缩性能进行了评估.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】4页(P26-28,35)【关键词】单级轴流风机;准三维;流线曲率法【作者】刘晓明;苏莫明;田琳【作者单位】西北工业大学动力与能源学院;西北工业大学动力与能源学院;西北工业大学动力与能源学院【正文语种】中文【中图分类】TH4530 引言目前设计轴流风机大多采用的是平面叶栅设计与模化设计方法，但是这两种方法都必须依赖大量且性能参数齐全的已有风机的相关数据。

如果能够让风机叶片根据流场参数分布来确定其结构参数，那么设计出的轴流风机性能会更加优越。

流线曲率法[1]是把实际平均流面上的速度参数投影到子午面上，通过求解速度沿多条准正交线在子午面上投影线的梯度方程，得到子午面上的气流参数分布，进而反推到实际平均流面上，让叶片中心面与得到的实际平均流面平行，则得到有较好流场分布的叶片形状了。

在文献[2]中已给出针对离心式压气机叶片的流线曲率法正反问题求解方法，但是这种方法用于计算轴流压气机则有较大误差，文献[3]中则给出了用于多级轴流压气机正问题的求解方法，文献[4]中阐述了轴流压气机反问题的求解方法，鉴于轴流风机与轴流压气机的相似性，可以考虑用流线曲率法来设计单级轴流风机，但由于只有一级叶片，所以计算时需要经过适当的处理以增加其计算准确性。

这里结合平面叶栅法来进行单级轴流风机的设计，具体设计思路如下：1）由平面叶栅法进行初步设计得出通道轮廓，并确定扭曲规律（即确定叶片间隙处的环量分布）；2）利用平面叶栅法得到的通道形状和环量分布数据进一步进行准三维设计，计算出叶片级中压力的分布状况，同时得到整个流场中速度的分布情况；3）根据步骤2）中算出的速度分布情况得到动叶和静叶前缘及后缘的速度三角形，对叶片重新进行调整得到更合理的叶片形状。