BM带小叶片的高压比压气机叶轮设计BladeGen实例

车载燃料电池高速离心压气机叶轮设计作者：史成龙张洪信赵清海华青松来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第03期摘要：為解决燃料电池空气进入量不足导致效率较低的问题，本文设计了一款高速车载燃料电池离心压气机叶轮，通过Concepts NREC中的Compal模块，对压气机进行二维循环设计，同时采用AxCent模块进行离心压气机叶片几何设计，并使用Ansys中的流体仿真软件（computational fluid X，CFX）对叶轮流域进行计算流体力学仿真（computational gluid dynamics，CFD），将得到的流域情形与二维仿真计算结果进行对比研究。

研究结果表明，该离心压气机由电机驱动，在设计转速下叶轮最高效率可达08，工作范围为0012～014 kg/s，得到效果较好的流域，印证了二维设计的准确性。

该设计具有较宽的工作范围，能满足汽车对空气压缩机的要求，尤其在低流量范围，能更好的适应汽车行驶过程中的低速车况。

该研究对我国新能源的发展具有重要意义。

关键词：燃料电池; 高速电机; 离心压气机; CFX; 流体仿真; 低速车况中图分类号： U463.63+3; TH452文献标识码： A随着环境问题的日益突出与能源危机的加剧，车用能源的研究已从传统能源向着新能源方向发展。

燃料电池作为一种新型清洁能源，具有零排放或接近零排放、避免机油泄露带来的污染、减少温室气体排放、运行较平稳等优势[13]。

近年来，世界各国与各大公司把研究目光投入到燃料电池的发展方向上，空气压缩机作为燃料电池的重要组件，其性能对燃料电池至关重要，且与燃料电池性能具有直接关系，虽然加压的燃料电池供给系统具有更好的性能，但容积式压气机难以与涡轮相匹配。

而离心压缩机具有结构紧凑、单极压比高、小流量、易损件少、运行平稳、噪音少等一系列优点，已应用到航空航天、汽车等多种领域，被认为是将来最有前景的增压方式之一[47]。

10.16638/ki.1671-7988.2021.05.019某离心叶轮叶片改型设计研究*覃玄，朱涛（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰442002）摘要：该文以某高压比离心叶轮为研究对象，以改善叶轮流动特性和提升叶轮的气动性能为目标对其叶片进行改型设计。

文章基于ANSYS BladeGen，采用四阶Bezier曲线对叶轮叶顶弧线以及叶根弧线进行参数改变，通过流场数值模拟分析得到最终设计叶型。

数值模拟结果表明，新设计叶型离心叶轮相较于原叶轮压比提高了0.87%，效率提升了5.69%，达到了本次改型设计的目标。

关键词：离心叶轮；Bezier曲线；叶型设计中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)05-66-04Research on the Blade Modification Design of a Centrifugal Impeller*Qin Xuan, Zhu Tao( Hubei University of Automotive Engineering Department of Automotive Engineering, Hubei Shiyan 442002 )Abstract: This article is aimed to improve the flow characteristics and aerodynamic performance of a centrifugal impeller. Based on ANSYS BladeGen, by using four order Bezier curve the parameters of tip arc and the hub arc were changed, then the final blade was obtained through the numerical calculation of the flow field. The results show that, the newly designed centrifugal impeller has a 0.87% increase on the pressure ratio and a 5.69% increase on the efficiency, which also has achieved the goal of this article.Keywords: Centrifugal impeller; Bezier curve; Blade designCLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)05-66-04引言压气机是废气涡轮增压器的重要组成部分，本文研究的离心叶轮则为压气机的核心部件[1]。

微型燃气轮机的离心式压气机叶片设计及计算分析王瑞浩;李政;张力敏【摘要】离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件,对其整体性能有重要影响.为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的,利用Concepts NREC软件完成了一台适用于100 kW、60000 rpm微型燃气轮机的离心压气机的一维方案设计、准三维设计和造型.利用经过校核的全三维CFD 软件所设计的离心压气机性能进行了验算,结果表明,该离心压气机内流流动参数分布合理,各项性能完全满足设计指标要求.【期刊名称】《黑龙江科学》【年(卷),期】2019(010)010【总页数】4页(P14-17)【关键词】微型燃气轮机;离心式压气机;叶片设计;气动设计;计算验证【作者】王瑞浩;李政;张力敏【作者单位】哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】S216.41 引言微型燃气轮机相对于中大型燃气轮机来说，是一类新兴的小型热力发电机，其单机功率范围为25～300 kW，基本技术特征是采用离心式压气机及回热循环。

部分学者认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮，成为21世纪能源技术的主流。

离心式压气机作为微型燃气轮机的核心部件，对其整体性能有重要影响。

为使微型燃气轮机上所用离心式压气机的叶片形状达到所需压比、效率等性能的目的，可利用Concepts NREC软件完成一维方案设计、准三维设计和造型。

利用经过校核的全三维CFD软件所设计的离心压气机性能进行验算，设计出一款符合微型燃气轮机功率和转速需要的离心式压气机。

2 一维设计对离心压气机的气动设计主要是设计其几何特征。

要确定轮毂直径、轮缘直径、出口宽度、扩压器内外直径、扩压器宽度、叶片数量等参数。

设计的基础方案是基于Concepts NREC公司的Compal软件。

收稿日期:2007-01-29; 修订日期:2007-04-16作者简介:吕玉坤(1964-),男,河北保定人,华北电力大学副教授.文章编号:1001-2060(2008)02-0131-04加装短叶片离心叶轮的参数优化及实验研究吕玉坤,王 建,张 健,卢 权(华北电力大学能源与动力工程学院电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003)摘 要:利用NUMECA软件对G4 73No.8D型离心风机进行了叶轮内部流场的三维数值模拟和流动分析,发现在叶轮出口处存在着明显的射流-尾流结构。

为削弱这一结构对风机性能的不良影响,对风机叶轮进行了加装短叶片的数值模拟,依据叶轮流场的改善情况,确定了短叶片的优化参数,并在此基础上,进行了风机性能的对比性实验。

结果表明,改进后的风机全压明显提升,其额定工况下的效率有所提高,高效区有小幅加宽。

关键词:离心风机;射流-尾流;短叶片;数值模拟;实验研究中图分类号:TH432 文献标识码:A引 言风机耗电量约占火电机组发电总量的1.5%~ 3%,其运行费用已直接影响到电厂的经济性[1]。

目前离心风机在我国电厂中仍占有较大比例,且随着除尘、脱硫装置等设备的增加和送风系统的老化,原有风机已不能满足生产需要,而更换新的风机将增加设备投资和运行费用。

因此,研究和改造现有离心风机以提高其性能,对电厂的节能增效具有重要意义。

研究表明[2~3]:有限叶片叶轮对流体的做功存在不均匀性,在叶片非工作面边界层分离严重,存在明显的射流-尾流结构,阻碍了流体在叶轮流道内的流动,恶化了风机性能。

在叶轮流道内容易发生边界层分离的部位加装短叶片会对非工作面附近的流体起到加功作用,可有效地抑制边界层分离现象的发展。

1 叶轮加装短叶片前、后的数值模拟及参数优化以G4 73No.8D型离心风机为具体研究对象,利用NUMECA软件对加装不同参数短叶片的离心叶轮流场进行数值模拟研究,以确定短叶片的优化参数。

首先在Workbench中选择Bladegen模块勾选创建轮毂和创建所有叶片选项选择径向叶轮标签，并输入Z值和R值（横轴为Z向，纵向为R）。

选择厚度/角度模式输入叶片包角140度，厚度值及叶片个数为7 进入设计总窗口The most critical operation in the meridional view is to define the shapeof the hub and shroud curve. The endpoints for these curves werespecified when Initial Design Parameters were entered in the InitialMeridional configuration dialog.The hub and shroud profile for this case are well defined automatically.In this case, there is no need for any additional modificati**.意思是轮毂和轮缘（套罩）形状的定义在子午面上很关键，我们在前面初始化子午面结构参数已定义了这些曲线的终点。

它们的其它轮廓由系统自动生成，不需要修改。

用户可以通过改变坐标值及曲线特性进行修改。

双击各点修改坐标值来定义进口和出口截面1. Double click the shroud inlet point at the top left of the meridional view.2. The Point Location Dialog will open. The Horizontal value is the Axial location (Z co-ordinate) and the Vertical value represents the Radius.3. Enter -10 and 110 for the horizontal and vertical values. Click OK.4. Double click the hub inlet point (bottom left corner) and enter -10 and 25 for the horizontal and vertical values. Click OK.5. Double click the hub outlet point (top right corner) and enter 91 and 250 for the horizontal and vertical values. Click OK.6. Double click the shroud outlet point (top left corner) and enter 63 and 250 for the horizontal and vertical values. Click OK.查看叶片角度视图，默认激活层为hub layer，如图红点所示注意到纵坐标变化范围为140，即先前设置叶片包角值在角度视图右键选择调整叶片角度前缘尾缘Theta曲线自动转成带有六个控制点的Bezier segment同理进入shroud layer，修改角度定义叶片厚度轮廓，切换到hub layer 定义三个点，并输入各厚度zoom to fit 调整视图显示通过五个点来调整抛物厚度曲线，再八个点来调整激活shroud layer，会发现厚度和hub layer是一样的选择叶片属性定义椭圆角生成模型，大功告成！！。

航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。

叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。

由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。

随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。

本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。

关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)1.1 课题介绍 (1)1.2 研究方法 (1)1.2.1 直接计算法 (1)1.2.2 有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)2.1 叶身结构 (3)2.2 榫头结构 (5)2.3 叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)3.1 叶片受力分析 (10)3.2 离心拉应力计算 (10)3.3 离心弯应力计算 (12)3.4 气流弯应力计算 (15)3.5 叶片热载荷 (18)3.6 榫头强度计算 (18)4 压气机内气流场的模拟 (20)4.1 Fluent软件介绍 (20)4.2 双向流固耦合 (21)4.3 模型建立 (22)4.3.1 实体模型的建立 (23)4.3.2 ICEM CFD网格划分 (26)4.3.3 相关条件的设置 (27)4.4 运行结果和分析 (28)4.4.1 速度计算和分析 (28)4.4.2 压力场计算和分析 (30)5 结束语 (32)【参考文献】 (33)致谢 (34)附录1 相关英文文献: (36)附录2英文文献中文译文: (51)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。

高压比离心压气机气动设计与分析蒋松廷;刘锡阳;董学智;谭春青【摘要】设计了单级总压比9.5、流量1.95 kg/s的离心压气机,该压气机分为叶轮、径向扩压器和轴向扩压器三个部分.叶轮初步设计采用自编程的方法,叶型使用了双分流叶片,通过软件Numeca对叶轮进行了数值模拟,分析了入口激波和出口射流尾迹等流动结构;从性能和流场细节两方面比较了三种形式的径向扩压器.结果发现,扩压器入口收缩可以抑制回流,楔形扩压器的扩压性能明显优于无叶扩压器.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2016(029)002【总页数】8页(P21-27,33)【关键词】离心压气机设计;高压比;双分流叶片;扩压器匹配【作者】蒋松廷;刘锡阳;董学智;谭春青【作者单位】中国科学院工程热物理研究所推进与动力技术实验室,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院工程热物理研究所推进与动力技术实验室,北京100190;中国科学院工程热物理研究所推进与动力技术实验室,北京100190;中国科学院工程热物理研究所推进与动力技术实验室,北京100190【正文语种】中文【中图分类】TK472离心压气机相较轴流压气机而言，有压比高、结构简单、尺寸小的特点，广泛应用于微型航空发动机和飞机辅助动力。

为了满足较高的压比需求，压缩系统通常采用多级结构。

这种结构会增大发动机尺寸，增加流道复杂程度。

如果采用单级离心压气机完成压缩任务，将大大简化压缩系统结构，提高发动机推重比;因此，研究高压比离心压气机具有重要的实际应用价值。

自离心压气机面世以来，研究人员一直在追求更高压比、更高效率和更宽裕度。

1975年，Colin等人[1]设计出了压比8∶1的离心压气机，其入口跨音速引流部分参照了相对成熟的轴流压气机设计。

S.Colantuoni 等人[2]设计并实验研究了压比9∶1的离心压气机，其子午流道采用了Bezier曲线。

Victor等人[3]采用准三维反设计程序结合CFD计算软件设计了一个总压比8.1∶1、效率81%的离心压气机。

带有阶梯叶轮出口的双参数输出压气机设计冯浩;马朝臣;刘洋【摘要】为了解决平原汽车在高原行驶时功率下降问题，提出了一种用于恢复高原柴油机功率的燃气涡轮辅助增压系统，该系统由燃烧室、压气机、涡轮、点火装置、喷油器、控制系统等辅助装置组成，燃气涡轮辅助增压系统的压气机要分别对燃烧室和原车柴油发动机供气，需要两种不同压比的空气。

为满足上述要求设计了一种带有阶梯型叶轮和准流线型分隔式扩压器的压气机；并以某柴油机为例进行了计算分析，得到了初步的设计参数和工作参数；设计出切割前的高压比叶轮，对高压叶轮内部流场进行数值模拟计算，得到相应气动参数；通过计算结果分析叶轮出口流量分布和速度分布确定阶梯型叶轮出口参数和准流线型分隔板的形状，设计出准流线型阶梯叶轮。

%In order to solve the problem of power reduction when plain cars are running at high altitude, a gas tur⁃bine turbocharging assisted system for recovering the power of a diesel engine in high lands was designed in this pa⁃per. The system includes a combustion chamber, a compressor, a turbine and relevant auxiliary devices such as an ignition facility, a fuel injector, as well as a control system. The compressor is used to provide air for the combus⁃tion chamber and the original diesel engine. Two kinds of different pressure ratios of air supply are needed. Accord⁃ing to the demand of the gas turbine turbocharging assisted system, a new centrifugal compressor with a tip⁃cut im⁃peller and quasi⁃streamline divided diffuser was designed. The high pressure ratio impeller before cut was designed and the internal flow field of the high pressure impeller was simulated. Therefor, the corresponding aerodynamic pa⁃rameters wereobtained. Through analyzing the distributions of flow and velocity of the impeller outlet, the parame⁃ters of a ladder⁃shaped impeller outlet and shape of the quasi⁃streamline side splitter were confirmed, leading to the design of the tip⁃cut impeller.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2016(037)010【总页数】6页(P1432-1437)【关键词】辅助增压;微型燃气轮机;离心压气机;双参数输出;柴油机【作者】冯浩;马朝臣;刘洋【作者单位】北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;北京理工大学机械与车辆学院，北京100081;北京理工大学机械与车辆学院，北京100081; 北京石油化工学院机械工程学院，北京102617【正文语种】中文【中图分类】U中国是一个多高原、山地的国家。

某型燃气轮机压气机叶片清洗装置的改型设计杨小军;何瑛;梁珊珊;赵志龙【摘要】自国内引进首台燃气轮机项目以来，压气机叶片清洗装置一直采用的是就地、手动控制。

介绍了某型燃气轮机压气机叶片清洗装置的改型设计及远程控制的实现。

随着用户的需求提高，要求在线清洗功能实现远程控制。

在这种情况下，对压气机叶片清洗装置以及控制逻辑进行了改型设计，并应用到在建项目和后续项目中。

%From first Gas-Steam Combined Cycle Power plant on, compressor blade washing devices always used local manu-al control method whether off-line and or on-line washing. This paper discusses the realization of remote control technology and optimizing design of a gas turbine compressor blade washing device. With increasing demand of customers, remote con-trol function is asked to put into use during on-line washing. In this case, optimum design compressor blade washing device, then the modifiy device will be applied to constructing and follow-up projects.【期刊名称】《科技创新与生产力》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P104-106,108)【关键词】燃气轮机;在线清洗;远程控制;压气机叶片清洗【作者】杨小军;何瑛;梁珊珊;赵志龙【作者单位】东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000;东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000【正文语种】中文【中图分类】TK474.8燃气轮机在正常运行期间，由于进入压气机的空气不可能完全被入口的进气过滤器过滤干净，空气中的灰尘、油雾等会在压气机动叶和静叶上形成污垢。

作业条件和要求设计参数进气总压*P=101325.0 Pa进气总温*T=288.15 K质量流量G=550 kg/sπ=1.5总增压比*kη=0.90绝热效率*k气体常数R= 287.06 J/kg/K= 1004.7 J/kg/K定压比热Cp比热比k = 1.4确定（说明理由）转速，流道几何，各排叶片参数的展向分布（最少根、中、尖三个截面）：叶片尾缘半径，D因子，压比，效率，轮缘功，子午速度，相对速度，绝对速度，相对气流角，绝对气流角，静压，静温，总压，总温，密度，各叶片的基元几何（最少根、中、尖三个截面）叶轮机高等气动力学大作业——风扇设计院（系）名称专业名称学号学生姓名一、控制方程（1）连续性方程积分形式的连续性方程（对展向计算站而言）tip G G x hubG VA K F W d ηηρη==⎰()2cos G sin F R θσπρσ-=（2）运动方程以焓熵形式描述的展向平衡方程12/xx x W FW F W η∂=+∂ 1ln sin sin cos cos()cos cos x m D W tg F r dxθσσσθσσση∂=--+-∂*22()cos u u v v r i s F T r σηηη⎡⎤∂∂∂=-+-⎢⎥∂∂∂⎣⎦ （3）能量方程**212211()u u i i v r v r ω-=-（4）状态方程p RT ρ=（5）熵增关系式()***121*2*21ln 1ln p R R s T s s c T s s R ηησ⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦=- （6）沿流线斜率曲率()22113221tan tan 1s s m s d f df x dr D dx dx dx r dm df dx σσ--⎛⎫⎛⎫===-=- ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎡⎤⎛⎫+⎢⎥⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦二、数值过程（1）离散方式（i 为计算站标号，j 为流线标号）1111111 2j j i i i i i j j i i i i j F F F F F F F DF dx x x x x ηηη-+--+--⎛⎫⎛⎫--∂⎛⎫==+⎪ ⎪ ⎪∂---⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （2）运动方程流线平均参数 ()112j j j F F F -=+ ()11121122xj xj xj xj j j xj xj W W W W F F W W ηη----⎡⎤+=++-⎢⎥+⎢⎥⎣⎦（3）连续方程()1112xj xj j j Gi Gj jj W W G G K F ηη---+∆=∆+⋅⋅-10JN G G G∆=⎧⎨∆=⎩ 三、求解2m S 流场流程图四、压气机设计（1）压气机级数的确定：压气机设计流量为550kg/s ，压比1.5，可以看出属于民用风扇范畴，因此初步选定为单级轴流压气机。