本文以方案中耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)的定子葉片為例進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了S1流面葉型，耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)采用三維葉片技術(shù)改善了定子葉柵內(nèi)的流動(dòng)。通過(guò)三維數(shù)值模擬，對(duì)S2流面設(shè)計(jì)中的損失和滯后角模型進(jìn)行了標(biāo)定，為葉片三維建模提供了依據(jù)。通過(guò)與初步三維設(shè)計(jì)結(jié)果的比較，兩種設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)參數(shù)徑向分布一致，證實(shí)了耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中S2流面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。由于葉尖泄漏流的存在，葉尖壓力比與氣流角（圖中灰色虛擬線圈所示的面積）之間存在一定的偏差，但通過(guò)三維CFD的修正，s2的設(shè)計(jì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)了葉尖泄漏流對(duì)氣動(dòng)參數(shù)徑向分布的影響；錐形間隙改變了間隙內(nèi)渦量場(chǎng)的分布，減少了葉尖泄漏損失，增強(qiáng)了耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉片上、中部的功能力。bec在高負(fù)荷下，定子根部出現(xiàn)了氣流分離現(xiàn)象，導(dǎo)致了出口氣流角和S2設(shè)置的初步三維設(shè)計(jì)。預(yù)測(cè)結(jié)果略有不同（圖中橙色虛線圈所示的區(qū)域）。耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)利用一條非均勻有理B-sline曲線來(lái)描述由四個(gè)控制點(diǎn)（紅點(diǎn)）控制的曲線，包括前緣點(diǎn)和后緣點(diǎn)。葉片體由四條非均勻曲面、兩個(gè)吸力面和兩個(gè)壓力面組成，同時(shí)與較大切圓（灰圓）和前緣后緣橢圓弧相切。利用MIT MISES程序?qū)1型拖纜葉片進(jìn)行了流場(chǎng)分析。采用B-L（Baldwin-Lomax）湍流模型和AGS（Abu-Ghamman-Shaw）旁路過(guò)渡模型描述了過(guò)渡過(guò)程。

以耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)帶后導(dǎo)葉的可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)模型為研究對(duì)象，如圖1所示。風(fēng)扇由集熱器、活動(dòng)葉片、后導(dǎo)葉和擴(kuò)散器組成。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用翼型結(jié)構(gòu)，動(dòng)葉14片，導(dǎo)葉15片，葉輪直徑d為1500mm，耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙delta為4.5mm，風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1200r/min，輪轂比為0.6，設(shè)計(jì)工況安裝角為32度，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量和總壓為37.14m3_S-1和2348pa，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖給出了葉頂間隙均勻和不均勻的方程，其中前緣間隙和后緣間隙分別為1和2。leand te表示葉片的前緣和后緣。為了保證前緣與后緣的平均間隙為4.5mm，選取六種非均勻間隙進(jìn)行分析。現(xiàn)代軸流風(fēng)機(jī)的相對(duì)徑向間隙為0.8%~1.5%[18]，改變后風(fēng)機(jī)葉尖間隙的較小相對(duì)徑向間隙為1%，滿足正常運(yùn)行的要求，如表1所示。其中方案1~3為漸變收縮型，方案4~6為漸變膨脹型。控制方程包括三維穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均N-S方程和可實(shí)現(xiàn)的K-E湍流模型?？蓪?shí)現(xiàn)的K-E模型可以有效地解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、邊界層流動(dòng)分離、強(qiáng)逆壓梯度、二次流和回流等問(wèn)題。耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)采用分離隱式方法計(jì)算，壁面采用防滑邊界條件，壓力-速度耦合采用簡(jiǎn)單算法。采用二階逆風(fēng)法離散了與空間有關(guān)的對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和湍流粘性系數(shù)，忽略了重力和壁面粗糙度的影響。當(dāng)耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉頂間隙形狀發(fā)生變化時(shí)，不可避免地會(huì)引起葉頂及其附近的吸力面和壓力面流場(chǎng)的分布。

與均勻間隙相比，耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)在平均葉頂間隙不變的前提下，1~3級(jí)間隙方案下的風(fēng)機(jī)總壓力和效率均高于均勻間隙方案下的風(fēng)機(jī)總壓力和效率；前導(dǎo)間隙越大，尾隨間隙越小，性能越明顯。改進(jìn)是，但隨著耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)間隙的逐漸收縮，風(fēng)機(jī)的性能改善逐漸減小；在優(yōu)化過(guò)程中，增加了葉片型線的幾何分析和設(shè)計(jì)點(diǎn)氣流角的調(diào)整模塊，以保證獲得的葉片型線能達(dá)到與原型相同的氣流轉(zhuǎn)向能力。在設(shè)計(jì)流量下，方案2和方案3下的總壓力分別增加20。對(duì)于PA和22PA，耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)效率分別提高0.69%和0.70%，特別是在小流量情況下。方案2和方案3的效率分別提高1.16%和1.20%。同時(shí)，方案1-3對(duì)應(yīng)的區(qū)（>81%）變寬，根據(jù)總壓的趨勢(shì)，喘振裕度增大，穩(wěn)定工作范圍提高。但4-6級(jí)進(jìn)風(fēng)機(jī)的總壓和效率均低于均勻間隙，隨著間隙的增大，風(fēng)機(jī)的性能下降更大。方案6的總壓力和效率分別降低了15pa和0.14%。模擬結(jié)果與參考文獻(xiàn)中給出的結(jié)果一致。以上分析表明，在相同流量范圍的前提下，錐形間隙的區(qū)變寬，相應(yīng)的流量范圍增大，耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)增大，設(shè)計(jì)流量和左效率明顯提高，措施簡(jiǎn)單，易于實(shí)施?？紤]到風(fēng)機(jī)選型中參數(shù)裕度過(guò)大，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量的左側(cè)運(yùn)行，可以將變細(xì)的間隙形狀作為提高風(fēng)機(jī)性能的手段。為了分析不同葉尖間隙形狀下風(fēng)機(jī)性能變化的內(nèi)在機(jī)理，進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)特性和葉輪能力分析。

在耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉片前緣形成了C形軸向速度分布，在翼型阻力的作用下，流入流的軸向速度減小，形成了一個(gè)低速區(qū)。吸入面沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相反方向形成橫向壓力梯度。根據(jù)機(jī)翼理論，通過(guò)吸力面的速度高于通過(guò)壓力面的速度，吸力面后緣形成高速區(qū)。進(jìn)一步討論了動(dòng)葉區(qū)中間流動(dòng)面內(nèi)的總壓力分布。分析了在設(shè)計(jì)流量下動(dòng)葉區(qū)中流面內(nèi)的總壓分布。由于耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉片壓力面所做的工作，壓力面上的總壓力明顯高于吸力面上的總壓力，總壓力沿動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)方向由壓力面逐漸下降到吸力面?？倝褐饾u升高，但吸入面略有變化。這是因?yàn)楫?dāng)氣流通過(guò)葉柵時(shí)，從吸力面到相鄰葉片壓力面的離心力沿葉片高度逐漸增大。為了抵消離心力的影響，將葉片設(shè)計(jì)為扭曲葉片后，沿葉片高度方向產(chǎn)生橫向壓力梯度，使兩個(gè)力達(dá)到平衡，吸力面附近有一個(gè)負(fù)壓區(qū)。由于耐高溫的軸流風(fēng)機(jī)葉片的吸入面和壓力面之間的壓差較大，位于壓力側(cè)的流體通過(guò)葉尖間隙流向吸入面，導(dǎo)致葉尖間隙中的泄漏流。泄漏流與主流相互作用，產(chǎn)生較大的泄漏損失。由于葉尖泄漏流的存在，葉尖壓力比與氣流角（圖中灰色虛擬線圈所示的面積）之間存在一定的偏差，但通過(guò)三維CFD的修正，s2的設(shè)計(jì)趨勢(shì)預(yù)測(cè)了葉尖泄漏流對(duì)氣動(dòng)參數(shù)徑向分布的影響。