叶轮机械三元流理论Lec_1
三元流动资料资料
一．流体机械设计水平及科研状况1.1 设计水平及科研动向透平压缩机械研究的最终目标是致力于改善机器性能和提高装置可靠性。
这些研究包括理论研究，实用技术，测试手段等方面的课题，它们大多数来自工程设计和应用研究，其成果又不断推动着本行业的发展。
随着计算机的进步，上述研究在深度和广度上都发生了很大变化。
1.1.1 现代设计方法概况透平压缩机械内部流动分析已进入了三元N－S方程的数值模拟时代。
不管是离心式还是轴流式，都有人提出了相应的实际流动模型，离心式叶轮中的尾迹，射流模型以及低能流体的集积过程；高负荷轴流压缩机轮毂处三元分离的形式和结构，动叶顶端间隙流动特性等。
但对于包括损失、阻塞、喘振在内的压缩机总性能预测等有关问题，数值模拟还不够充分。
对于设计问题，完全的数值模拟方法不仅耗时太多，而且大量的自由度使得难于工程应用。
相反，在已积累有丰富经验数据的情况下，比较简单的一元方法还有相当的精度。
因此，许多设计问题，仍用一元、二元、准三元的方法是必要和可取的。
目前国外较普遍而又行之有效的方法是将低元和高元结合使用，即设计初始阶段用一元流动理论，详细计算时用准三元或全三元理论的方法。
图1－1轴头平机械流动解析以轴流透平机械为例，图1－1示出了各种流动解析的关系。
双实线内的解析法是纯理论解法，实线箭头表示解析法发展路线。
为了修正纯理论解法的不足，还辅助应用单实线内的方法。
纯理论解法和辅助方法必须与实验方法或资料（双实线箭头表示）结合起来，现在，准三元解析虽然还留下若干问题，但基本上达到了实用的程度，利用准三元理论成功地设计透平压缩机械的例子很多。
作为基础研究，完全的三元数值模拟是很有意义的。
然而，在通风机、压缩机整体设计中选取主要参数时，若有许多性能试验结果的积累，一元的方法也是足够的。
将子午面流动和叶栅间流动简单地结合起来的二元解析，对设计点附近的内部流动的预测也有一定的精度。
对于低元解析法，改善辅助手段能提高预测性能的精度。
基于三元流理论的高速动车组冷却风机叶轮设计及优化分析
0引言我国标准动车组一直在向更高速、更稳定、全部自主知识产权的方向发展[1]。
在一系列技术革新中，列车冷却系统的技术创新，显得尤为重要。
目前，高速动车组列车中大功率的牵引变压器在工作过程中会产生大量的余热，当工作环境温度超过电器元件所能承受的范围时，将影响牵引变压器的正常运行，引发着火等危险状况，因此，需要使用风机将热量进行转移[2-5]。
为满足高铁冷却风机的高效率、低振动、高稳定性的要求，就对风机的研制提出了更高的要求。
叶轮作为风机重要的过流部件[6]，对风机的性能有至关重要的影响作用。
对于风机叶轮的优化设计，也是当前研究喆的热点话题。
易鑫等人[7]对两种不同型号原型的风机叶进行了优化和数值模拟，结果显示：在满足设计压力的条件下，优化后叶轮的全工况叶轮的传动效率明显提高。
王培[8]采用理论计算以及有限元两种计算方法，对离心式通风机叶轮强度进行校准复核，并采用有限元法对风机叶轮进行模态分析，提高了产品的可靠性。
冯美军等人[9]以对叶轮端面齿所采集的数据为主要的研究对象，以UG NX6.0等软件为工具对叶轮端面齿进行数据处理，为叶轮的逆向设计提供了支撑依据。
三元流理论最早是由吴仲华教授所创立，他将复杂的三维流场简化为按不同规律形成的无数条流线和对应流面组成，创造性的将流场、流面和流线三者有机的联系在一起。
当前，三元流理论技术在循环水泵节能方面的研究最多，取得的效果也比较显著[10-12]。
综上所述，采用三元流理论[13，14]进行设计，通过先进的CFD [15，16]技术对旋转机械内部的流动进行数值模拟和性能预测，采用数值模拟方法对叶轮机械内部流动的细节进行分析，从而大幅度增效降本。
本研究以三元流理论为依据，采用三维流场对该叶轮进行数值模拟及全工况计算，有效提高了叶轮效率、稳定性。
1三元流叶轮设计叶轮是风机的核心部件。
叶轮旋转时对气体做功，使气体获得能量。
叶轮主要由前盘、后盘、叶片和轮毂构成。
二元流与三元流设计思路主要区别在于叶片[17]。
叶轮机械原理-1
* 2(i0 i1 ) 2h1*s
其中：
* i 0 ， i 0 —— 分别是喷管进口焓值和滞止焓值； * h1s ， h1s —— 分别是喷管等熵焓降和等熵滞止焓降； c1s —— 喷管出口理想汽流速度。
◆ 在流管表面 取压力的平均值： ( p p 受力面积：
XJTU
p dx ) / 2 x
A
受力： ◆ 流动阻力：
A dx A x p p p dx dx ( A A dx A) 2 x
s
动量方程（以流动方向为正）为：
p A Ap ( p dx)( A dx) x x p p p dx x ( A A dx A) S Adx dc 2 x v dt
XJTU
p1 根据等熵过程方程： k k → 得到： 1 0 p 0 1 0 p 根据出口（ 1 ， 1 ）→ 可以确定所有出口状态参数 s （ i1 ，t1 ， ，……）。
p0 p1
② 计算喷管出口理想汽流速度 c1 和临界速度 ccr
蒸汽在喷管中的流动过程是定常流动;
◆ 动叶栅： 安装在叶轮上并与主轴相连，在工作中是
转动的部分，称为转子。
热力叶轮机械原理（1）
XJTU
叶片 特点
◆喷管：结构大体上是一样的； ◆动叶：结构大体也是一样的。 喷管叶栅 → 动叶栅 → 喷管叶栅
→动叶栅 → ……
基 本 特 点
排列 特点
工作 特点
◆喷管叶栅：汽流膨胀加速， 热能转化为动能；
热力叶轮机械原理（1） 基本方程： 1）状态方程： p zRT 2）连续方程：
《叶轮机械原理》课件
03
叶轮机械的设计与优化
叶轮机械的参数设计
叶轮参数
01
包括叶片数、叶片型线、进出口安放角等。这些参数的选择和
优化对叶轮机械的性能有着重要影响。
流道参数
02
包括流道截面形状、流道面积等。这些参数的合理设计可以改
善流体在叶轮机械内的流动状态，从而提高效率。
转速与扬程
03
转速和扬程是叶轮机械的基本参数，它们的选择和优化对于确
02
叶轮机械的基本理论
流体动力学基础
流体静力学基本概念
流体的密度、压强、重力场等。
流体动力学基本方程
Navier-Stokes方程、连续性方程、动量方程等。
流体流动的基本特性
层流与湍流、边界层等。
叶轮机械中的能量转换
叶轮机械的工 力能、热能、动能等之间的转换。
04
叶轮机械的实验研究
实验设备与实验方法
实验设备
介绍进行叶轮机械实验所需的设 备和工具，如风洞、测试台、传 感器等。
实验方法
详细说明实验的操作流程和步骤 ，包括实验前的准备、实验过程 中的操作以及实验后的数据收集 等。
实验数据的处理与分析
数据处理
介绍如何对实验中收集的大量数据进 行整理、筛选和初步处理的方法。
总结词
随着科技的进步，叶轮机械的智能化与自动化成为了新的发展方向。
详细描述
通过引入先进的传感器、控制系统和人工智能技术，叶轮机械可以实现智能化控制和自动化运行。这不仅可以提 高设备的运行效率和稳定性，还能降低人工干预和故障率。
叶轮机械在新能源领域的应用
总结词
随着新能源产业的快速发展，叶轮机械在新能源领域的应用越来越广泛。
定叶轮机械的功率和效率至关重要。
叶轮机械原理-演示文稿(3)
XJTU
完全径向平衡方程简化为： ◆ 当Cr = 0 时，完全径向平衡方程简化为：
2 1 ∂p cu = ρ ∂r r
（简单径向平衡方程） 简单径向平衡方程） 径向平衡方程
可以看出： ◆ 可以看出：
① 即使径向分速度 =0 ，但只要存在周向分速度 ： 即使径向分速度Cr 但只要存在周向分速度Cu： 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 汽流压力沿叶高方向就不再保持常数； → 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 流动为同心圆柱面，可用圆柱流面计算法求解。 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， ② 简单径向平衡方程是简化的完全径向平衡方程， 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律 沿叶片高度的变化规律。 也能反映气动参数沿叶片高度的变化规律。
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
◆ 长叶片透平级的特点： 长叶片透平级的特点： 透平级的特点
① 长叶片级的圆周速度沿径向变化很大
uh =
πd h n
60
< um =
πd m n
60
< ut =
πd t n
60
② 长叶片级的反动度沿径向变化很大
Ω h < Ωm < Ωt
③ 长叶片级的速度三角形沿径向变化很大
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
⑥ 有径向梯度的离心力场 在级进口（ 截面、出口（ 截面， → 在级进口（0-0）截面、出口（2-2）截面， 很小或为零， 由于周向分速度 Cu 很小或为零， 不存在离心力场， 不存在离心力场， → 在叶栅通道和轴向间隙（1-1）截面处， 在叶栅通道和轴向间隙（ 截面处， 轴向分速度很大， 轴向分速度很大， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 汽流流线是一条由高压向低压前进的螺旋线， 且由于Cr≠ 圆弧线的曲率半径变化， 且由于 ≠0，圆弧线的曲率半径变化， 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 形成一个有梯度（沿径向和轴向）的离心力场。 梯度
能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论
2、容积损失qV
本质上是流量损失 3、机械损失
本质上是力矩(功率）损失
编辑课件
能源与动力装置基础
2. 效率和损失的分类
损失分类 损失内容 有效能变化 交换能
效
率
总
内 部 损 失
流道 损失
非流 道损
水力损失
δhhyh
级内露损 失δhv 轮
原动机
hs
损 δhi 失
阻损失 δhr 等
hu hth
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
第一节叶轮机械的典型结构
单级汽轮机
编辑课件
能源与动力装置基础
工作原理
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
叶轮内的流动过程: 以轴流式叶轮为例
叶片式机器的特点：
❖ 具有一个带有叶片的转子 (叶轮impeller或转轮runer)；
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
圆柱面
展开成平面
编辑课件
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
轴面过流面积的计算： 径流和轴流式叶轮
A2Rb
编辑课件
A(rt2 rh2)
能源与动力装置基础
《能源与动力装置基础——叶轮机械基本理论》
二、速度矢量在圆柱坐标系中的分解
c＝cr+cz+cu=cm+cu cm=cr+cz
滞止压力p*=p+ρc2/2
加速 加功 减速 接近等速
由能量方程式：W = ∫dp/ ρ +0.5(c22-c12)+g(z2-z1)+∑δW = cp(T2-T1)+0.5(c22-c编1辑2)课=件 h2* -h1* =cp(能T源2与* 动-力T装1*置)基础
叶轮机械原理(西安交大)-演示文稿(3)
2
1 1)
2huh c1uh sin 2 1 sin 2 2 1 (r 1) 2 u h (sin 1 2)
2 2 c2 c2 c u 2z
c2 z tg 2 c 2u
r↑→ C2 ↑
XJTU
5）比功 hu 的变化（ c 2u 0）
hu uc1 cos1 uc2 cos 2
uc1 cos1
rc1u
const
比功 hu 沿径向不变
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
三、流动损失的影响
◆ 在喷管出口（1-1）截面
1 dp c 简单径向平衡方程： dr r
② 在叶栅内部和轴向间隙（1-1）处： 周向分速度Cu ≠0，
→ 产生一个离心力场， 使径向分速度Cr≠0，
流线向下偏移； ③ 级通流部分的内表面和外表面 是同心圆柱面。
图3.10 等
1角级通流部分示意图
热力叶轮机械原理（3） 简化假定： ① 透平级内的流动是定常流动；
XJTU
② 在1-1截面处：汽流的径向分速度 Cr = 0
热力叶轮机械原理（3）
XJTU
r 2 ( ) rh tg1 tg 1h 2 u h r 1 1 ( ) c1uh rh
rh tg 2 ( )tg 2 h r
2
r↑→ 2 ↓
rh 2 2 h (1 h ) cos 1h 1 ( ) r
r↑→ ↑
热力叶轮机械原理（3）
rh 在 2 90 的条件下： tg 2 tg 2 h r
c2uh 1 uh
拟流函数法——叶轮机械内三维流动分析问题和设计问题的一种求解方法
拟流函数法——叶轮机械内三维流动分析问题和设计问题的一种求解方法
虚拟流函数法是用来求解叶轮机械内三维流动分析问题和设计问题的一种求解方法，它把叶轮机械内复杂的三维流动压力场和温度场转化为一组简单的二维虚拟流函数，从而使得叶轮机械内部三维流动分析和设计问题得以简化和解决。
虚拟流函数法基于叶轮机械内部流动压力场和温度场的流动特性，将叶轮机械内部复杂的三维流动转化为一组二维虚拟流函数，这些虚拟流函数之间有一定的关系。
虚拟流函数的计算方法主要有两种：一种是采用有限元法进行计算，另一种是采用有限差分法进行计算。
采用有限元法计算虚拟流函数的基本原理是将叶轮机械内部复杂的三维流动压力场和温度场转化为一组有限元方程，通过求解有限元方程组，获得虚拟流函数。
有限元法计算虚拟流函数的优点是能够准确地表示叶轮机械内部复杂的三维流动压力场和温度场，但计算量大，计算时间长，不易获得精确的解析解。
有限差分法计算虚拟流函数的基本原理是将叶轮机械内部复杂的三维流动压力场和温度场分割成若干个控制面，在每个控制面上应用积分方程求解虚拟流函数。
有限差分法计算虚拟流函数的优点是计算量小，计算时间短，易于获得精确的解析解，但计算误差较大。
虚拟流函数法能够有效地解决叶轮机械内部三维流动分析和设计问题，是流动分析和设计的有效工具。
但是，虚拟流函数的计算仍然是一项费时费力的工作，因此，在计算虚拟流函数时应当尽可能采用简便的方法，使得计算的效率更高，计算的精度更高，以达到更好的流动分析和设计效果。
叶轮机械原理
叶轮机械原理
目录
• 叶轮机械概述 • 叶轮机械基本原理 • 叶轮机械设计参数及性能分析 • 叶轮机械结构特点及材料选择 • 叶轮机械运行特性及故障诊断技
术 • 叶轮机械发展趋势及挑战
01
叶轮机械概述
定义与分类
定义
叶轮机械是一类利用叶轮旋转运 动实现能量转换或传递的机械设 备。
多功能化、集成化
为了满足不同领域的需求，叶轮机械将向多功能 化、集成化方向发展。
当前面临主要挑战和问题
1 2
设计制造难度大
叶轮机械设计制造涉及多个学科领域，技术难度 较大。
能耗高效率低
当前部分叶轮机械存在能耗高效率低的问题，亟 待解决。
3
智能化程度不足
当前叶轮机械的智能化程度相对较低，难以满足 日益增长的需求。
04
叶轮机械结构特点及材料选 择
结构类型与特点分析
离心式叶轮机械
主要由进气口、叶轮、扩 压器、蜗壳等组成，具有 结构简单、紧凑、高效率 等特点。
轴流式叶轮机械
由进气室、导叶、叶轮、 扩压器等组成，具有流量 大、压力低、效率高、结 构紧凑等优点。
混流式叶轮机械
结合了离心式和轴流式的 特点，具有较宽的运行范 围和较高的效率。
应用领域与前景
应用领域
叶轮机械在能源领域（如火力发电、水力发电、风力发电等 ）、化工领域（如石油炼制、化肥生产等）、航空航天领域 （如飞机发动机、火箭推进器等）以及交通运输领域（如汽 车、船舶等）都有广泛应用。
前景
随着科技的不断进步和工业的不断发展，叶轮机械的应用领 域将进一步拓展，同时对其性能、效率和可靠性等方面的要 求也将不断提高。未来，叶轮机械将朝着更高效、更环保、 更智能的方向发展。
叶轮机械原理_第一章
• 本课程的学习 • 作业（40％）、考试（60％） • 教材：
1）航空燃气轮机原理（上） 彭泽琰、刘刚 编著 国防工业出版社 2000年 2）叶轮机械原理（讲义） 流体机械系 编 2006年
第一章 绪 论
• 主要参考书：
1）船用燃气轮机轴流式叶轮机械气动热力学（原 理、设计与试验研究），李根深、陈乃兴、强国芳， 国防工业出版社，1980年 2）叶轮机械原理 舒士甄、朱力、柯玄龄、蒋滋 康，清华大学出版社，1991年 3）Cumpsty N.A., Compressor aerodynamics, Longman Scientific & Technical, 1989.
• 涡轮一级的作功能力相对较大，涡轮的 级数少；
第一章 绪 论
• 多级压气机存在一个非常重要的问题— —级与级之间的匹配问题
第一章 绪 论
五、叶轮机研究的意义
• 叶轮机与能源的消耗和能源的利用密切相 关； • 研制各种类型的高效率、低消耗的叶轮机，
可为建设节约型社会做出重要贡献。
第一章 绪 论
第一章 绪 论
1930年，英国人弗兰克·惠特尔获得了燃气涡 轮发动机专利，这是第一个具有实用性的喷气发动 机设计。但第一架喷气飞机（He-178）却出现在德 国，于1939年8月27日首飞。
The Second Jet Flight - Aug. 27, 1940 Caproni-Campini CC-2
绪论
斜流式压气机
转子
第一章 绪 论
混合式压气机
第一章 绪 论
第一章 绪 论
涡轮增压器
第一章 绪 论
第一章 绪 论
四、气流在压气机和涡轮中的流动特点
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计算理论
CFD三元流动定常求解
N-S 方程
CFD三元流动非定常求解
转捩与湍流模型
§1-1 研究内容 - 计算理论
设计方法
• • • • • 1. 可控子午型面 2. 非均匀端壁 3. 可控涡，自由涡 4. 弯叶片 5. 3D设计
– 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
• 118x gain in this period • Expect another 100x gain in the next 5-6 years
从1995－2001年由于硬件技术及数值求解技术的发展使 FLUENT计算性能提高118倍（其中硬件10倍、软件12倍）
§ 1-3设计思想
– 可控子午型面 – 可控涡 – 弯叶片 – 掠叶片 – 3D设计 – 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• 四．三元粘性（最近十~十五年）
• Euler方程对准三元，三元粘性流计算的贡献 • 计算机及计算速度，数值方法的影响
• 五．三元非定常粘性流
• • • • 软件包TASCFlow，CFX4.2，CFX5.7-11.0 Numece (6.2,7.2,8.1) Fluent (5.0,6.1,6.18,6.3) Hit 3D…… (Euler,NS,非定常)
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
三维NS方程组
研究内容
• 考虑流动三维特性的
• • • 透平机械 计算理论 及设计方法。
§1-1 研究内容
计算理论
一元流动计算方法
Euler 方程
简单径向平衡方程cr 0, , p, i* , ，沿径向变化 完全 1 qd 周向平均方程 2 1 两类相对流面理论，S , S 流面定义 1 2 损失模型，落后角模型。1， 2
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• • • • • • • • • 六．计算流体力学与计算机的飞速发展 1992 4M 1994 8M 1995 8X4=64M 1997 128M 1998 0.5G 2002 1.5G win32 2G，win2003-X64 〉64G winXP-64
§1-2 研究历史
Computing Trends – FLUENT Performance (1995-2001)
Historical Performance Gains
Intel iPSC/860 Convex Exemplar Convex Exemplar
25000
Cells / Second / Iteration
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
叶栅流动的计算方法
三维、粘性、非定常 多组分、多相、气液、气固 三维Euler方程组 有传热、相变 复杂的涡系、多尺度流动空间 三维方程的 各种简化 一元流动
§ 1-4气体在叶栅内的流动
• 基本概念
• • • • • • • 流线、极限流线 壁面摩擦力线 分离线 再附线 节点（分离节点，再附节点，螺旋节点） 鞍点 分离的类型：开式分离、闭式分离
§1-1 研究内容 - 设计方法
几何参数几个种要概念
• 一．跨叶截面（叶型，S1）
• 二．子午型面（子午流道，S2） • 三．侧型面
§1-1 研究内容
§1-2 研究历史
• 一．十九世纪
• 一元流、平均截面一元流计算，直叶片
• 二．二十世纪四十年代
• 载荷增大，叶片高度增加导致直叶片效率降低 • 简单径平衡方程，不考虑径向分速，但考虑参数沿 叶高的变化，出现等环量，等出气角，等密流，等 反动度等设计方法。 • 参数沿轴向，径向变化，从一元到二元，直叶片--扭叶片
• 透平机械三元流理论 • 及其设计方法的研究
第一章 绪论
• 1-1研究内容
方法研究 考虑三维流动效应的叶轮机械计算理论与设计
• 叶轮机械内的流动特点
• 内容：
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
Cray T3D SGI Pow erChallenge 8000 HP 9000/819
20000 15000 10000 5000 0
1995 Rampant 3.1 TIME Fluent/UNS 3/4 2001 Fluent 5 Fluent 6
IBM SP2 SGI Origin2000 196MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 300MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 400 MHz Intel Pentium II 450MHz Intel Pentium III Xeon 550MHz Intel Pentium III 800MHz SGI 3800 400Hz Sun Sunblade 1000 AMD Athlon 1.33GHz HP J6000 552MHz Compaq ES40 667MHz Intel Pentium 4 1.5GHz
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• 三．两类流面理论，流面，准三元计算
• （1） 无穷多叶片理论 • （2） 理想流体的三元流普遍理论（吴仲华） • 功率增加，下降，圆柱面流动假设极不准确，详细 地考虑到了流动的斜率与曲率对流场的影响。考虑 参数沿叶高的变化 • 流面理论 • 流函数法 • 原参数Euler方程流面平均 • 可控涡等设计方法