使用有限元計算軟件和內部流場計算軟件對所設計的幾個具有不同幾何尺寸的離心壓氣機葉輪的強度和氣動性能進行了計算。結果表明反彎葉片可降低葉輪出口處葉片根部附近的應力,但會造成葉片根部前緣區域應力集中,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力,前傾角越大出口葉根處應力減小越多;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域的應力起主因作用。研究得出葉片幾何及背盤形狀因素對葉輪應力分布的影響規律,另外還得到了葉片幾何形狀對氣動性能的影響規律,這些工作為葉輪的多學科優化設計提供良好的基礎。

　　關鍵詞：離心壓氣機;出口傾角;氣動性能;有限元強度

　　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葉輪，都經過氣動優化設計以達到最優的效率和最寬廣的工作范圍;經結構設計以達到滿足要求的結構強度。氣動設計和結構設計在很多方面是相對立的，所以常常要經過一定的折中以得到設計較合理的葉輪［1］。其中氣動設計可通過使用彎、掠、弓、傾等各種形狀的葉片來達到預期最優的效率及工作范圍要求，國內外已經進行了較多的關于這些方面的研究。Bogod 利用多級壓氣機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，其中最優的一種反彎葉片使壓氣機級的效率提高最多為2 ～ 3 個百分點，且在整個特性區域中都是如此［2］。文獻［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葉柵出口流場的影響，結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氣流流動狀況，延緩壁角失速，降低端區二次流損失; 反彎葉片可有效控制葉柵內的壓力分布，降低葉柵二次流損失，改善葉柵的氣動特性。文獻［6 ～ 8］采用數值方法研究了彎曲葉片對壓氣機葉柵氣動性能的影響。但是這些研究都是針對軸流壓氣機的，對于離心壓氣機的研究則比較少，因此有必要對離心壓氣機應用彎曲、傾斜葉片的氣動性能進行研究。

　　至于對葉輪強度的研究，文獻［9］對一車用渦輪增壓器葉輪強度進行了詳細的研究，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度的影響進行計算分析，從而為葉輪的多學科優化設計提供良好的基礎。

　　(1) 對于離心壓氣機葉輪，明確了其主要的高應力區有輪轂軸孔背部區域、葉片尾緣根部與輪轂相交區域及葉片根部區域。應通過結構優化以減小這些敏感區域的應力分布;

　　(2) 反彎葉片可降低葉輪出口處葉片根部附近的應力，但會造成葉片根部前緣區域應力集中;在本文的彎曲形式中，反彎葉片的氣動性能要稍優于正彎葉片，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生很大的影響，要充分掌握彎曲葉片的特性需要進行更詳細的研究;

　　(3) 葉片前傾能在很大程度上降低葉輪出口處葉片根部應力，前傾角越大出口葉根處應力減小越多; 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度影響較大，尤其是出口處背盤的厚度對葉輪出口區域的高應力集中起主因作用。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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