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轴流风机优化思路

本模型采用Nelder － Mead 的优化方法，用于非线性方程针对多目标的优化方法，能寻找到全局较小偏差，同时根据自变量的增加而线性增加计算负荷的大小。由于自变量的变化参数较多，为了避免出现非物理的优化结果，提高优化效率。本模型的优化将分为两个部分。

轴流风机设计点的模型优化

在设计点，风机内部流场状况较好，流动损失小，。因为Koch ＆ Smith 的模型考虑了诸多物理因素并被广泛验证了其合理性，因此不予优化。有3 个参数需要优化: 参考冲角、参考落后角和二次流损失。在一维计算时，由于模型中的经验公式是从大量压气机的实验数据中提取出来的，针对某一特定的风机几何尺寸，首先需要对采用的损失和落后角模型进行校验和标定。标定是根据风机在转速990r /min 时，轴流风机的安装角不变情况下的实验气动性能曲线。其次，利用优化得到的损失和落后角模型，对安装角分别为+ 10°、+ 5°、－ 10°、－ 5°的轴流风机的气动性能进行数值模拟并与实验结果进行对比分析，来验证本模型的准确性和可靠性。因为本风机并未给定相关设计点的参数，轴流风机模型中只能选取设计转速为990r /min 下率点为设计点，选取实验的气动性能曲线做为优化对象。

轴流风机的物理模型

某600 MW 机组配套的两级动叶可调轴流一次风机，流体计算域包括从集流器到扩压器的内部通道，固体计算部分为叶轮叶片部分。原风机每级导叶数目为23 片，改造方案围绕导叶数目进行。风机动叶片和导叶片数目通常是互质的，可以减少上游气流对下游的冲击，减少气流脉动及噪声。改造方案成组减少或者增加导叶片，其中导叶数目减少为方案一至方案三，导叶数目增加为方案四至方案六。基于轴流风机轴向可以分区的结构特点，轴流风机采用分区法将流体计算区域划分为集流器区、级动叶区、级导叶区、第二级动叶区、第二级导叶区和扩压器等6 个部分，因为动叶区内流动较复杂，故采用尺寸函数对动叶区进行加密，而其他区域采用较为稀疏的网格。在模拟中进行了网格无关性验证，轴流风机分别采用260 万、380 万、560 万和820 万等网格数对风机气动性能进行计算，在保证较好的计算精度和计算成本的前提下，确定网格数为560 万，在此网格数下时间成本和模拟精度好。运动方程为三维定常雷诺时均N-S 方程，采用可有效解决旋转运动和二次流的Ｒealizable k － ε 湍流模型，轴流风机的动叶区采用多重参考系模型。在数值模拟中，以集流器入口和扩压器的出口作为整个计算域进出口，边界条件为进口速度和自由流出。进出口流量残差小于10 － 5，各方向的速度及k、ε 等参数的残差小于10 － 4，认为当前计算达到收敛要求。

根据以往对轴流风机亚音速定子叶片的研究，前缘弯曲用于匹配迎角[20]，根部弯曲高度为20%，端部弯曲角度为20，顶部弯曲高度为30%，端部弯曲角度为40，如图18左侧所示。弯曲高度和弯曲角度的选择是基于流入流的流动角度条件：如图5中蓝色箭头所示，定子叶片的流入角度受上游动叶片的影响，靠近端壁有两个不符合主流分布趋势的区域，而弯曲高度末端弯板的T应覆盖与流动角度匹配的区域；末端弯板角度的选择基于区域和主流流动角度之间的差异。

根据前面的研究，轴流风机前缘弯曲的定子叶片可以有效地消除流入攻角，但叶片的局部端部弯曲会导致叶片局部反向弯曲的形状效应。在保证端部攻角减小的同时，定子叶片端部的阻塞量增大，损失增大。在端部弯曲建模的基础上，适当叠加叶片正弯曲建模，可以减小端部攻角，保证定子叶片和级间的有效流动。通过实验设计的方法，得到了合适的前弯参数：轴流风机弯曲高度60%，轮毂弯曲角度40，翼缘弯曲角度20，基本符合以往研究得出的弯曲叶片设计参数选择规则。不同叶栅的吸力面径向压力梯度和出口段边界层边界的径向压力梯度可以很好地进行比较。在带端弯和正弯叶片的三维复合叶片表面，存在两个明显的径向压力梯度增大区域，形成从端弯到流道中径的径向力，引导轴流风机叶片表面边界层的径向重排。从出口段附面层的边界形状可以看出，复合三维叶片试图使叶片的径向附面层均匀化，消除了叶片角部区域的低能流体积聚，对提高叶片边缘起到了明显的作用。