為了探索大負荷大流量風機的關鍵氣動設計技術和內(nèi)部流動機理，本文設計了一臺耐高溫的軸流風機，其壓力比為1.20，負荷系數(shù)為0.83。詳細研究了流量系數(shù)、反力等設計參數(shù)的影響規(guī)律，給出了相應的選擇原則。分析了葉片負荷調(diào)節(jié)、葉片彎曲和葉片端部彎曲對葉柵流動、級匹配和級性能的影響，給出了高負荷軸流風機三維葉片設計的基本原則。同時，開發(fā)了S1流面協(xié)同優(yōu)化方法，取得了較好的效果。由于耐高溫的軸流風機葉片的吸入面和壓力面之間的壓差較大，位于壓力側的流體通過葉尖間隙流向吸入面，導致葉尖間隙中的泄漏流。降低了定子損耗，增大了風機裕度。高壓風機的設計通常采用離心風機，但離心風機存在迎風面積大、流量小、效率低等缺點。針對大流量、高壓力比、率的設計要求，如何完成單級軸流設計成為研究的重點。長期以來，軸流風機的設計方法得到了發(fā)展。從孤立葉型法、葉柵法、降功率法到目前廣泛采用的準三維、全三維氣動設計方法，甚至到S1流面葉型優(yōu)化[6]、三維葉型優(yōu)化、耐高溫的軸流風機三維葉型技術，已經(jīng)有了大量的研究工作。用于提高設計方法的準確性和快速性。以率、高負荷為設計目標，通過合理選擇總體參數(shù)，優(yōu)化了耐高溫的軸流風機流面葉片的初步設計和三維疊加，實現(xiàn)了軸流風機的氣動設計。

本文以方案中耐高溫的軸流風機的定子葉片為例進行了詳細設計，優(yōu)化了S1流面葉型，耐高溫的軸流風機采用三維葉片技術改善了定子葉柵內(nèi)的流動。通過三維數(shù)值模擬，對S2流面設計中的損失和滯后角模型進行了標定，為葉片三維建模提供了依據(jù)。通過與初步三維設計結果的比較，兩種設計方案的氣動參數(shù)徑向分布一致，證實了耐高溫的軸流風機設計過程中S2流面設計的準確性和可靠性。在確定優(yōu)化目標時，綜合考慮了設計點的性能和非設計條件，耐高溫的軸流風機對有效范圍內(nèi)的剖面性能進行了研究。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，但通過三維CFD的修正，s2的設計趨勢預測了葉尖泄漏流對氣動參數(shù)徑向分布的影響；bec在高負荷下，定子根部出現(xiàn)了氣流分離現(xiàn)象，導致了出口氣流角和S2設置的初步三維設計。預測結果略有不同（圖中橙色虛線圈所示的區(qū)域）。耐高溫的軸流風機利用一條非均勻有理B-sline曲線來描述由四個控制點（紅點）控制的曲線，包括前緣點和后緣點。葉片體由四條非均勻曲面、兩個吸力面和兩個壓力面組成，同時與較大切圓（灰圓）和前緣后緣橢圓弧相切。利用MIT MISES程序對S1型拖纜葉片進行了流場分析。采用B-L（Baldwin-Lomax）湍流模型和AGS（Abu-Ghamman-Shaw）旁路過渡模型描述了過渡過程。

耐高溫的軸流風機在實際應用過程中，葉片型線的優(yōu)化可能面臨一個問題。不同葉片高度的不同進水條件導致葉片型線優(yōu)化結果差異過大，難以對葉片型線進行過度優(yōu)化。為此，本文提出了多截面輪廓協(xié)同優(yōu)化的方法，建立了輪廓幾何與輪廓目標函數(shù)之間的關系，使得到的輪廓滿足三維實際要求。在優(yōu)化過程中，增加了葉片型線的幾何分析和設計點氣流角的調(diào)整模塊，以保證獲得的葉片型線能達到與原型相同的氣流轉向能力。在模擬葉尖間隙形狀的變化之前，將原始風扇的模擬結果與參考文獻中的耐高溫的軸流風機性能進行了比較。同時，耐高溫的軸流風機設計點的氣動性能滿足一定要求，否則，可以以罰函數(shù)的形式盡快完成葉型的氣動分析，提高優(yōu)化過程的快速性。在確定優(yōu)化目標時，綜合考慮了設計點的性能和非設計條件，耐高溫的軸流風機對有效范圍內(nèi)的剖面性能進行了研究。目標函數(shù)括號中的項為設計點損失，第二項為有效流入流角范圍，邊界為設計點損失的1.5倍，第三項為失速裕度，第四項為有效流入流角范圍內(nèi)的平均損失，第五項為平均損失差的方差。有效流入角范圍內(nèi)的分布。分子是分析葉片外形的氣動性能，分母是原型參考值。耐高溫的軸流風機利用加權因子w對截面之間的關系進行加權，設置目標函數(shù)，得到損失小、失速裕度高的多截面S1剖面。各參數(shù)的權重和各截面的權重系數(shù)決定了優(yōu)化目標是集中于中間截面的性能，以及中間截面的損失和末端截面的失速裕度。

耐高溫的軸流風機葉尖渦度的增大可以有效地阻礙泄漏流的通過，使耐高溫的軸流風機泄漏流與主流混合造成的損失減小，葉片前緣泄漏量的增加小于中、后緣泄漏量的增加?？傮w上，漏風量減少，提高了風機的性能。這與參考文獻中得到的前、后緣對耐高溫的軸流風機總壓損失系數(shù)的影響是一致的。隨著間隙的逐漸增大，葉頂前部的渦度強度增大，后緣的渦度強度減小，總體變化較小，泄漏量略有增加。由于主流與泄漏流的相互作用，葉片頂端的渦度比吸力面大得多，較大渦度出現(xiàn)在吸力面拐角處和葉片頂端附近。葉片吸力前緣中部渦度強度略有增加，沿弦長方向吸力面中部和后部渦度強度基本不變。耐高溫的軸流風機葉片前緣附近的渦度強度急劇增加。這是由于前緣點高度的變化導致的葉尖流動角度的變化。前緣點渦度強度的增加阻礙了吸力面附近的流入，也降低了主流與泄漏流的混合程度。雖然方案6的進風速度有所降低，但由于葉頂和后緣附近的渦度強度降低，耐高溫的軸流風機效率總體降低，相應的泄漏面積和泄漏流量增大。軸向速度分布可以反映轉子葉片流道內(nèi)的流動能力和分離尾跡區(qū)的特征。因此，轉子葉片出口軸向速度分布的徑向分布如圖6所示，用于分析流量。由于葉根和葉頂端壁附件的附面層較厚，導致流體流過該區(qū)域后的軸向速度較小，而葉頂附件又因泄漏存在使軸向速度進一步減小。