1，叶轮叶片的气动性能
叶轮叶片的气动性能是评估叶轮性能和效率的重要指标，主要包括叶片压力分布、叶片速度分布、气流损失等。在设计过程中，需要通过数值模拟和实验验证等方法，对叶轮叶片的气动性能进行分析和评价，以确保叶轮在运行过程中能够达到最佳的性能状态。在叶片旋转过程中，气流会对叶片产生压力，进而影响到叶片的升力和阻力[2]。
2叶轮叶片气动优化的方法
2.1优化对象
本文所研究的风机叶轮，是一种具有12片后向式结构、等厚度圆弧叶片。叶片的前缘和后缘的径向距离分别为235mm和500mm。图1为风机叶轮的三维造型，
图1 风机叶轮三维造型
2.2优化方法设计
通过优化叶型中弧线，可以提高叶轮的绝热效率，本文所使用的优化工具为 NUMECA软件中的Design3D模块，并以接近函数技术为基础，运用人工神经网络，以数据库中产生的样本为基础，建立了几何优化变量与空气动力目标参数的接近函数关系；然后，利用遗传算法等数值优化方法对所建立的模型进行优化求解，并利用 CFD软件对所建立的模型进行验证。表1显示了不同的优化方法。
表1 优化方式设置
3优化结果与讨论分析
3.1模型建立以及优化后叶型
由于是对叶片进行分析，因此对于传动轴或者集流器等部件忽略不计。建模时，采用CFturbo对叶片分别进行模拟，将模型导入到Creo Parametric软件当中，随后利用软件展开建模。建模完成后，合理利用ICEM软件对当前计算模型进行网络划分，并采用非结构化网络生成方法，组合四面体及六面体，从而做好网格划分工作。
采用以上方法对叶片进行了优化，获得了3种最佳叶片形式，见图2。在进行优化时，要维持叶片的前缘与原来的叶片相同。从图中可以看到，方式2所获得的叶型与原来的叶片差别最大，方式1所获得的叶片后部朝向吸力面隆起；方式3经改进后，叶片中间部分朝压力面方向鼓起。
图2 优化前各叶型对比
3.2优化工况点下性能对比
经优化设计后，各运行参数在最优工况点见表2。方式1、方式2的最佳运行状态点均为设计状态点，其相应的流速为2.0kg/s，其绝热效率提高1.97%、3.87%。方式3中的最佳运行工况点为非设计点，其对应的流速为2.5kg/s，其效率提高了4.51%。从表2所示的数据可以看出，3种优化方法的效果都很好，在优化的工况节点上，均有较大的提升，实现了优化目标。
表2 不同优化方式后对应性能参数
3.3不同出口角的模拟结果分析
当前叶片的原始进口角度是10度，出口角度是45度，此时保持叶轮和叶片进口角度不变的情况下，分别将出口角度转变为41度、43度、47度和49度，经过计算后能够得到不同流量下离心风机总压特性曲线和效率特性曲线。具体可见图3和图4。
图3总压特性曲线
图4 效率特性曲线
经过分析后可以发现，虽然不同叶片出口角度存在差异，但是变化规律较为相似，随着流量增加，总压会逐渐减小。因此可以认为将离心风机叶片的出口角度从45度改为47度和49度是一种优化方式。优化后离心风机整体效率和总压方面都具备优势。
3.3优化前后全工况性能对比
通过对原叶轮及不同叶轮在整个工作状态进行计算，获得其特性曲线。对比发现：方式1和方式2均在设计点条件下进行，其中方式2在设计点的有效性高于方式1。而方式3则是非设计工作状态下最优方式，极大改善了工作状态，但工作效率低于方式2。方式1具有最接近原有方式的效率特性，中等流量工况具有更高效率，而大流量工况则稍差。方式2以2kg/s秒左右速度表现最佳，且在低流量时具有高效率和较大稳定性余量。方式3在非设计工况下进行优化，结果表明该方法使整个工作条件下的流动范围更广，阻塞量增加。全压力整体得到改善是方式1和方式3的结果。从能量消耗的角度出发，保证系统效能与额定压力相同的情况下，功耗越低越节能。对比方式1与方式2发现，在方式2中各种参数化方式对最优效果有显著影响，两种方法的最优解存在较大差异。简单贝塞尔曲线的局域特性较差，而高阶贝塞尔曲线在修饰性方面有较大弹性。对比方式2与方式3发现，最优工作条件的选择对最终最优解具有关键作用。两种方式均使用高阶Bezier曲线对中弧进行参数化处理，但其最优工作状态点选择差异较大，而方式3通过改进使其具有更宽的通流能力，大部分流量下工作特性较好，但在设计点工作状态能力有所下降。
结语
本文针对离心风机叶轮叶片气动优化展开了研究，提出了一种优化设计方法，并通过实验验证，证实了优化后的叶轮叶片性能得到了显著提高。结果表明:通过分析模拟计算结果可以发现，如果工况条件单一，出口角度的增加会对离心风机的总压以及效率造成直接影响，并呈现出先增加后减小的变化情况。为使整体工作状态更好，可开展多个工作状态点的优化。
参考文献：
[1]满超,周红,罗乐等.离心风机叶轮气动性能及噪声优化研究[J].风机技术,2022,64(S1):17-21.
[2]姜晨龙,朱兴业.轴流风机结构优化设计及内部流动特性分析[J].排灌机械工程学报,2022,40(07):707-713.
