軸流的案例
TurboTides:軸流壓縮機設計技術發展
我國的軸流壓縮機發展起步較晚，也是從燃氣輪機中的壓縮機研究開始起步的，到二十世紀六十年代末期第一臺試制成功，1970年開始投運。該軸流壓縮機為全部靜葉固定，效率為85～86%。一般軸流壓縮機分為：等中徑軸流壓縮機、等內徑軸流壓縮機和等外徑軸流壓縮機，如下圖所示：
等內徑軸流壓縮機的典型結構示意圖
等外徑軸流壓縮機的典型結構示意圖
等中徑軸流壓縮機的典型結構示意圖
由于軸流壓縮機技術是非常成熟的，氣體壓縮過程的流道短且簡單，氣體轉向變化小，基本是沿軸流動，離心壓縮機壓縮氣體的流道長且有較多的急劇轉彎，因而軸流壓縮機損失小，效率高。再次，軸流壓縮機的葉柵在空氣動力學方面的理論研究和試驗工作相對比較充分，試驗數據和設計方法比較成熟，所以軸流壓縮機效率通常比離心壓縮機高8%～10%。
展開 大型軸流風機振動分析及處理
軸流風機以其流量大、啟動力矩小、對風道系統變化適應性強的優勢逐步取代離心風機成為主流。軸流風機有動葉和靜葉2種調節方式。
動葉可調軸流風機通過改變做功葉片的角度來改變工況，沒有截流損失，效率高，還可以避免在小流量工況下出現不穩定現象，但其結構復雜，對調節裝置穩定性及可靠性要求較高，對制造精度要求也較高，易出現故障，所以一般只用于送風機及一次風機。
靜葉可調軸流風機通過改變流通面積和入口氣流導向的方式來改變工況，有截流損失，但其結構簡單，調節機構故障率很低，所以一般用于工作環境惡劣的引風機。
隨著軸流風機的廣泛應用，與其結構特點相對應的振動問題也逐步暴露，這些問題在離心式風機上則不存在或不常見。本文通過總結各種軸流風機異常振動故障案例，對其中一些有特點的振動及其產生的原因進行匯總分析。
一、動葉調節結構導致振動
動葉可調軸流風機通過在線調節動葉開度來改變風機運行工況，這主要依賴輪轂里的液壓調節控制機構來實現，各個葉片角度的調節涉及到一系列的調節部件，因而對各部件的安裝、配合及部件本身的變形、磨損要求較高，液壓動葉調節系統結構如圖1所示。動葉調節結構對振動的影響主要分單級葉輪的部分葉片開度不同步、兩級葉輪的葉片開度不同步及調節部件本身偏心3個方面。
1—碟片；2—調節桿；3—活塞； 4—油缸；5—接收軸；6—控制頭；7—位置反饋桿；8—輸出軸；9—控制滑伐；10—輸入軸；
A—壓力油；B—回油。
圖1 軸流風機液壓動葉調節系統結構
1. 單級葉輪部分葉片開度不同步
單級葉輪部分葉片開度不同步主要是由于滑塊磨損、調節桿與曲柄配合松動、葉柄導向軸承及推力軸承轉動不暢引起的。
展開 【技術帖】軸流風機的氣動性能優化
軸流就是與風葉的軸同方向的氣流，如電風扇，空調外機風扇就是軸流方式運行風機，其用途非常廣泛。之所以稱為“軸流式”，是因為氣體平行于風機軸流動。軸流風機主要由風機葉輪和機殼組成，結構簡單但是數據要求非常高。軸流式風機通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合，由此軸流風機的氣動性能成為評判其性能優劣的重要指標。
本文即將展示的是某軸流風機的氣動性能優化的全流程介紹。通過對軸流風機的葉片和風道進行調整優化以提高其流量與效率。
01
優化前準備工作：
為了方便對葉片進行調整，建立葉輪的全參數化模型，并將葉片分為六個控制截面來調整參數變化。之后設定參數變化規律或給定算法，在優化軟件中會自動生成不同模型并啟動CFD軟件進行仿真計算。
021
優化目標：PQ性能與效率
模型優化過程中，主要分為風道及葉片的調整，調整內容如下：
031
優化過程：
首先我們在軟件當中建立全參數化的模型，然后優化軟件設置中的參數以及參數變化范圍，接下來與CFD軟件進行耦合，最后進行全自動的性能優化。
展開 智能快速的高性能軸流風扇設計軟件AIFan介紹
基于AIFan軟件及CAESES軟件等結合，可以實現軸流風扇的快速設計及快速性能評估，風扇氣動性能自動優化等功能，并且最終可以打造基于數據庫的風機設計體系。
目前該軟件已經為多家企業進行過軸流通風機、軸流散熱風扇及涵道推進風扇等設計服務，均取得了較好的效果。
FBD型礦用軸流式通風機葉輪氣動噪聲的數值分析
本文以 FBD 系列．額定功率為 55kW 礦用軸流式通風機模型為基礎 ，在額 定轉速為 3000r／m in，額 定 壓 力 為5050Pa，且不考慮葉輪與機殼的軸 向間隙的情況下，在一級葉輪單獨運行時，運FLUENT 對礦用軸流式通風機的一級葉輪的氣動噪聲進行數值分析。
1、FBD礦用軸流式通風機結構及參數
1.1 FBD礦用軸流式通風機一般結構
FB D 系列通風機為礦川隔爆 型設備，一般由集風器 、I 級機體 、 I 級葉 輪 、 Ⅱ級 機體 、 Ⅱ級 葉輪 、隔 爆 型 i 相異 步電動機 、消聲擴散錐組成，如 1所示。
圖1 FBD通風機結構
1.2 FBD礦用軸流式通風機參數
通風機詳見表1。
表1 FBD通風機參數
2、通風機內部流域的網格劃分及計算模型的選擇
2.1 通風機內部流域的網格劃分
運用UG提取軸流式通風機模型的內部流域。為使進出口不出現回流現象，分別對進出口流域作加長處理，因為此模型為不可壓縮流體，邊界布置到 2 —4 倍通風機的特征長度 。此模型的進出El特征長度為800mm ，因此把進口加長1600mm，出口加長3200mm 。在運用hypermesh對流域進行 網格劃分時對葉 片進行非結構化網格劃分并加密，如圖2所示。由于壁面對湍流流動 的影響較大，故在機殼壁面設置為3層邊界層網格，每層網格厚度為 0.1，如圖3示 。共劃分了約300萬個網格。
圖2 葉輪網格劃分
2.2 計算模型的選擇及邊界條件的設置
1) 湍流模型的選擇：為觀察通風機流域的渦流變化以及與后期的聲學模型相結合 。選用大渦模型(LES) 。
展開 軸流透平行業工業軟件使用情況之我觀
軸流透平主要包括風機，壓縮機和鼓風機，泵四類產品，在工業產品能源領域占據重要地位。 隨著技術不斷發展，先進的工業軟件在軸流透平研發中的重要性不斷提高。 相對于傳統設計開發流程，先進的工業軟件對軸流透平產品研發的效率、經濟性、準確性等都是意義非凡，無論大到國際五百強還是小到小作坊。 軸流透平行業工業軟件使用，分類情況也很多，從CAD/CAE/CAM方面可以，從設計、仿真、制造也可以…… 下面，作者以初涉軸流透平行業四五年的經歷，從使用角度對軟件使用情況進行闡述，水平有限，眼界不寬，錯誤和不足之處，敬請批評指正，可發郵件至cfder1989@163.com 一、設計軟件 設計軟件主要有CFturbo、AxSTREAM、Concepts NREC，ANSYS Vista AFD。 這四款軟件，AxSTREAM學習成本最大，給人的感覺就是太專業了。學習成本最小的是ANSYS Vista的一維設計工具，設計的靈活性和多樣性實現不了，可調參數極少，但是可以配合ANSYS BladeGen或者ANSYS BladeEditor來配合使用，實現參數多調。 二、CFD數值仿真軟件 典型代表： 通用：ANSYS Fluent/CFX，STAR CCM+ 專用：Numeca FINE/Turbo 其他不太主流新發布的作者不甚了解了 用的比較多的是CFX和Numeca了，有專門的旋轉機械處理方法。 還有就是Fluent了，用戶數量之多，包括旋轉機械使用者。
展開 基于現代最優控制理論的軸流渦輪級S2流面優化設計計算方法探討
基于現代最優控制理論的軸流渦輪級S2流面優化設計計算方法探討
辛喆 鄒滋祥
中國農業大學水利與土木工程學院 中國科學院工程熱物理研究所
摘要：把數學規劃論和現代最優控制論引入了軸流渦輪級的優化設計，再在優化了的子午面幾何通道內建立包括渦輪級在內所有性能參量的最優流型命題的物理模型及其數學表達式，并歸化為一個在給定初始狀態、自變量終端固定、部分狀態變量終受有約束的條件下使級的輸出功率最大的最優控制問題，應用“代價函數法”及“共軛梯度法”計算得到符合給定約束條件并使目標函數取極值的最優環量分布，結果令人滿意。
關鍵詞：數學規劃輪，最優控制論，渦輪級，優化設計
內容簡介：
1 軸流渦輪級幾何參數的最優化設計
1.1 物理模型及數學表達式
1）優化設計變量 2）渦輪級效率 3）目標函數 4）約束條件 5）損失模型
1.2 非線性數字規劃問題的求解
1.3 優化設計結果
2 軸流渦輪級葉片最佳流型設計
2.1 物理模型及數學表達式
1）狀態向量 2）控制向量 3）系統的微分方程組 4）初始條件 5）約束條件 6）指標泛函
2.2 最優控制問題的求解
1）用“代價函數法”作新的目標函數
2）引入拉格朗日乘子
3）采用共軛梯度方法求解無約束最優控制問題
4）初始控制變量的選取
5）最優步長的選擇
6）計算過程的終止
2.3 計算結果與分析
1）算例 2）計算結果 3）討論與分析
3 結束語
基于現代最優控制理論的軸流渦輪級S2流面優化設計計算方法探討.pdf
展開 基于CAESES的超臨界二氧化碳（sCO2）軸流透平葉片優化設計研究
這篇文章中采用CAESES進行sCO2軸流透平設計的方法，發表于2019年7月17日至21日的ASME透平會議。
簡 介
傳統發電廠采用蒸汽作為工質，通過透平產生動力，超臨界二氧化碳（以下簡稱sCO2）循環使用的是溫度和壓力均高于臨界點（超臨界狀態）的CO2，在這種狀態下，CO2表現出介于氣體和液體之間的特性，并且具有較高的密度和體積熱容，這種狀態下的特性為高循環效率提供了巨大潛力。由于工質的能量密度更高，因此可以減小組件尺寸，從而減小占地面積和成本。sCO2也被認為是一種安全的介質，其資源十分充足且使用收益高，因此，從效率和成本角度來看，sCO2發電有潛力取代蒸汽發電。
本文對用于廢熱回收應用的新型sCO2軸流透平設計進行了探索，文中基于10兆瓦的案例進行介紹。
文中采用Kulfan Class Shape Transformation（CST）變換方法進行二維軸流葉型輪廓變形優化設計，并在設計優化過程中同時考慮葉片的氣動效率及應力情況。
軸流透平設計原理
首先基于尺寸、性能、運行工況等設計需求，項目中使用了Triveni Turbines開發的一維均線計算內部工具進行設計計算，均線計算的結果構成了二維葉片輪廓設計的基礎。
項目中采用CAESES進行軸流透平的幾何建模，調用二維/準三維流動求解器MISES用于方針分析，并采用印度科技學院（IISc）內部開發的Matlab腳本進行前后處理。通過CAESES軟件的自動優化平臺封裝了整個過程，用以優化透平葉片的氣動性能。
展開 流場分析：基于STAR CCM+軸流風葉仿真分析
空調作為量大面廣的家用電器之一，除給消費者帶來制冷、制熱性作用以外，空調風機系統噪音直接關系到消費的舒適性，因此，低噪風葉正成為軸流風葉設計的一個趨勢。從學科上來看，這類風葉與工業用風葉相比，一方面在結構配置、設計方法和流動特性上有著很大不同；另一方面在性能上，雖然風壓低但風量范圍變化大且氣動及聲學的綜合性能要求高，故這類低壓風機的設計并非易事。特別是在軸流風扇形狀對噪音抑制方面需要進行更深入研究。目前，軸流風葉的設計主要基于實驗和CFD 技術，隨著CFD 技術的成熟和普及，CFD 技術成為空調風葉結構設計的主要手段。本文利用CFD 技術對不同風葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調軸流風葉方案進行仿真分析，然后選擇最優方案制作?？?，進行實驗測試，從而驗證CFD仿真結果。
02
計算模型
本文以某空調室外機軸流風扇為研究對象，對軸流風扇結構進行優化分析，提高風扇風量同時降低風扇氣動噪音。風扇氣動噪音是空調外機噪音的一個主要來源，目前為了降低風葉氣動噪音，風葉外形在逐步進行仿生設計，例如風葉邊緣做成鋸齒狀，風葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實驗證明仿生設計可以降低風葉的氣動噪音。本文對風葉外形進行優化設計，研討風葉外形與噪音的關系。
為節省計算時間，CFD 模擬僅對風扇模型進行分析，研討風扇性能。優化前風葉幾何參數如表1所示。
展開 基于STAR-CCM+軸流風葉 風扇仿真分析 噪音優化
空調作為量大面廣的家用電器之一，除給消費者帶來制冷、制熱性作用以外，空調風機系統噪音直接關系到消費的舒適性，因此，低噪風葉正成為軸流風葉設計的一個趨勢。從學科上來看，這類風葉與工業用風葉相比，一方面在結構配置、設計方法和流動特性上有著很大不同；另一方面在性能上，雖然風壓低但風量范圍變化大且氣動及聲學的綜合性能要求高，故這類低壓風機的設計并非易事。特別是在軸流風扇形狀對噪音抑制方面需要進行更深入研究。目前，軸流風葉的設計主要基于實驗和CFD 技術，隨著CFD 技術的成熟和普及，CFD 技術成為空調風葉結構設計的主要手段。本文利用CFD 技術對不同風葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調軸流風葉方案進行仿真分析，然后選擇最優方案制作?？?，進行實驗測試，從而驗證CFD仿真結果。
02
計算模型
本文以某空調室外機軸流風扇為研究對象，對軸流風扇結構進行優化分析，提高風扇風量同時降低風扇氣動噪音。風扇氣動噪音是空調外機噪音的一個主要來源，目前為了降低風葉氣動噪音，風葉外形在逐步進行仿生設計，例如風葉邊緣做成鋸齒狀，風葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實驗證明仿生設計可以降低風葉的氣動噪音。本文對風葉外形進行優化設計，研討風葉外形與噪音的關系。
為節省計算時間，CFD 模擬僅對風扇模型進行分析，研討風扇性能。優化前風葉幾何參數如表1所示。
展開 某型空調軸流風扇的氣動噪聲仿真分析
1、概述 研究對象是帶短導管軸流風扇的氣動噪聲分析問題。這里主要介紹使用LMS公司著名聲學軟件SYSNOISE的流體聲學模塊生成氣動噪聲聲源，然后使用SYSNOISE強大的聲學邊界元（Acoustic BEM）功能進行整個聲場諧波分析的過程和結果。其中帶短導管軸流風扇的流場分析使用FLUENT軟件，分析模型和輸入數據由美的研發中心的游斌博士提供。SYSNOISE模型的網格在FLUENT模型網格的基礎上快速生成得到。
本文目的在于SYSNOISE流體聲學功能演示和拋磚引玉，并未對計算結果的準確程度特別關注。實際上本題計算結果的準確性由FLUENT流場計算的精度和SYSNOISE聲學計算精度共同決定，我們這里只選取了FLUENT計算初期的部分流場結果，初始條件擾動較大，導致噪聲計算的結果可能偏大。共計算了6~2300Hz之間的噪聲分布，這里只列出部分結果。
根據與游斌博士的交流，做了兩種不同網格密度的SYSNOISE模型進行驗證。一種是嚴格按照CFD導出網格的密度，直接生成對應的SYSNOISE模型；另一種是按照聲學分析理論進行了網格稀疏化的SYSNOISE模型。對兩種模型的內聲場計算結果進行了對比，結果基本完全一致。但是第二種稀疏化模型（有效頻率已經達到8000Hz）的計算速度大幅度增加。實際應用中建議使用第二種模型。
2、分析流程
圖1 SYSNOISE的流體聲學分析流程圖
具體的分析流程如下：
A）在FLUENT模型網格基礎上快速生成各種密度的SYSNOISE模型網格。
B）使用FLUENT軟件對帶短導管軸流風扇的流場進行非穩態分析，并在時域內輸出流場的分析結果。（FLUENT分析模型和輸入數據由美的研發中心游斌博士提供）。
展開 
論文分享 | 壓縮機設計:軸流式、混流式還是離心式？
2021年我最喜歡的是一篇名為《選擇一臺壓縮機的子午向拓撲形式：軸流式、混流式、離心式》的論文。一篇好的論文不僅應顯示出作者有多聰明(盡管他們顯然是聰明的)，更重要的是教給讀者一些他們可以在自己的行業中使用的東西。這篇論文的主要作者為Smyth 和 Miller，來自劍橋大學的惠特爾實驗室。這位Smyth不是著名的史密斯圖表中的史密斯，但顯然是受到了與他同名的史密斯的啟發。
這篇論文的基本前提是通過將離心式、混流式、軸流式壓縮機的布局視為流量“負荷”的函數來找到最佳設計點。多年來，很多論文都是以此為思路展開了研究。多種不同的方法按照旋轉機械的不同種類（泵、壓縮機、渦輪）和不同的設計形式（離心式、混流式、軸流式）被開發出來。針對不同類型的渦輪機械(泵、壓氣機、渦輪)和不同類型的設計(徑向、混合、軸向)開發了不同的方法。這些方法在設計的初始階段是有效的，因此被廣泛使用。但是這些有效的方法到底有多好還有待商榷。這些方法中的部分方法的確相對其他方法更好，但在我看來，所有這些方法都有三個基本的弱點：
○需要恰當選擇相關設計參數
○校正時都是基于有限的數據集
○設計起點沒有考慮（工況）范圍
（那么如何恰當的選擇相關設計參數呢？）作者并不認可比轉速這一離心式壓縮機的設計概念，聲稱它沒有物理意義，因此不適合用作選擇標準。相反，他們將“負載”定義為m1/r1 r3 W，這使得它大致相當于進口流量系數。我不認為這是最終的相關設計參數（如果這個所謂最終的相關設計參數真的存在的話）。但我同意這個參數是一個很好的選擇，遠比比轉速有價值。另一個相關參數就是傳統的載荷系數Dh/U22。
本篇論文克服第二個潛在弱點（校正時都是基于有限的數據集）的方法是利用大量CFD使得結論具有統計學意義。
展開 陳海生團隊：跨聲速軸流壓縮機動靜葉彎參數耦合關系
CAES系統采用的壓縮機需要有流量大、工況寬、效率高等特點，而軸流壓縮機雖然具有流量大、效率高等優點，但是其穩定工作范圍較窄。因此，要將軸流壓縮機廣泛應用于CAES系統，就需要針對提高其穩定工作范圍進行深入研究。
就這一研究課題，諸多學者開展相關研究工作，包括主動流動控制措施，如附面層抽吸、葉尖噴氣等，以及被動控制方法，如機匣處理、渦流發生器、非軸對稱端壁成型、彎掠技術等。由于主動流動控制會增加系統的復雜性和維護成本，在壓縮空氣儲能系統中更傾向于采用被動控制方法。彎掠技術是提高軸流壓縮機氣動性能的有效措施之一。
1963年，Smith等針對NACA翼型進行彎掠葉片的實驗研究，提出在軸流葉輪機械設計中考慮彎和掠影響的近似方法。1984年，Breugelmans等針對NACA葉片進行實驗研究，發現彎葉片對二次流的發展有著較大的影響。1990年，王仲奇等研究彎葉片對氣流參數沿葉高方向分布的影響，發現彎葉片能夠增大最小氣流角，減小最大氣流角，在葉展方向，使氣流角更加接近設計值，從而改善葉片的氣動性能。1997年，Weingold等對三級軸流壓縮機進行研究，發現彎葉片會使流場產生徑向力，降低吸力面角區的擴散速度，延遲角區分離。1999年，Denton等指出彎葉片可以減少端壁損失、葉尖泄漏損失，并總結出3種機理，這3種機理從不同的角度解釋為什么采用彎葉片會減少端壁損失。2001年，Wenger等采用三維Navier-Stokes數值計算方法，比較直靜葉與彎掠靜葉的流場和性能參數，發現彎掠葉片可以改善載荷的徑向分布和端壁邊界層的發展。隨后，Galimore等對亞音速壓縮機進行研究，發現徑向葉片力有利于減少壓縮機損失。
展開 CFD專欄丨軸流風扇噪聲CFD仿真試驗對標
待測軸流風機安裝在導管內，驅動電機安裝在風扇下游。上游是一個內壁安裝了吸聲材料的風箱。風箱內部安裝了一個整流裝置確保風扇入口的風速和湍流強度保持均勻。通過風箱上游的管路內的蝶閥和輔助風機來控制不同的流量。
試驗裝置圖
軸流風扇尺寸
7個B&K麥克風，間隔30°均勻布置在風扇中心上游1米半徑的圓周面上。
噪聲測點布置
風扇性能參數
軸流風扇入口
為了消除測試過程的隨機誤差，信號處理分別從5~8秒，10~13秒等時間片段采樣。從7個麥克風位置的總聲壓級柱狀圖和平均聲壓級SPL曲線看，各個時間段采集的信號一致性較好。
7個麥克風位置采集的聲譜圖信號，表明噪聲信號采樣的一致性。
CFD仿真模型描述
CFD模型包含了風扇、風箱、導管和安裝支架。導入虛擬麥克風的空間坐標文件（紅點）。在風箱內壁面設置多孔介質區域，模擬聲學無反射壁面條件。
展開 軸流風扇降噪研究：結合CAESES中便捷的參數化模型進行流動優化
下面對CAESES參數化建模在軸流風扇降噪研究中的一些應用進行介紹：
葉尖傾斜
葉尖傾斜能夠減小軸流風扇轉子與靜子之間的相互作用，從而降低噪音水平。我們可以在CAESES中對葉片頂端進行裁剪，形成傾斜結構，并通過參數控制裁剪的形狀及深度等，從而能夠快速生成多種方案模型，并結合CFD軟件進行自動化仿真優化研究。
軸流風扇的葉尖傾斜
尾緣鋸齒
尾緣鋸齒結構能夠將葉片吸力側和壓力側的氣流相互混合，通過改善兩側氣流的過渡形式，可以有效減少尾跡損失，繼而實現效率提高和噪音降低。在CAESES中能夠便捷的通過參數對尾緣鋸齒形狀、位置、深度及數量等進行控制，對該結構對風扇性能的影響進行深入研究。
葉片尾緣鋸齒
其他表面特征
CAESES具有強大的功能集成以及開放的feature編輯策略，能夠實現各類復雜結構的參數化構建，方便的實現工程師優化過程中對于模型變形的各類需求。
考慮其他復雜表面特征的參數化葉片模型
自動仿真優化
為了找到葉尖傾斜和尾緣鋸齒等結構的最佳參數，通常需要結合CFD模擬工具進行設計探索和形狀優化。在這個過程中，CAESES和仿真模擬工具連接，能夠全程自動化的進行網格劃分和仿真分析，CAESES的優化策略工具會驅動葉片的形狀參數自動向著提高葉輪效率和降低噪聲的方向變化。
自動進行網格劃分和CFD分析
性能優化
展開 