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鹽城市亞霖風(fēng)機(jī)制造有限公司

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提高離心通風(fēng)機(jī)葉輪性能淺述
來源: | 作者:jsylfj | 發(fā)布時(shí)間: 617天前 | 470 次瀏覽 | 分享到:
離心式通風(fēng)機(jī)作為流體機(jī)械的一種重要類型,廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門 , 是主要的耗能機(jī)械之一,也是節(jié)能減排的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。 研究過程表明 : 提高離心通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)水平 , 是 提高離心通風(fēng)機(jī)效率、擴(kuò)大其工況范圍的關(guān)鍵。

離心式通風(fēng)機(jī)作為流體機(jī)械的一種重要類型,廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門 , 是主要的耗能機(jī)械之一,也是節(jié)能減排的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。 研究過程表明 : 提高離心通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)水平 , 是 提高離心通風(fēng)機(jī)效率、擴(kuò)大其工況范圍的關(guān)鍵。本文將從離心通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)和利用 邊界層控制技術(shù)提高離心通風(fēng)機(jī)葉輪性能這 兩個(gè)方面,對(duì)近年來提出的 提高離心通風(fēng)機(jī)性能的方法和途徑 的研究進(jìn)行歸納分析。

  離心通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述

  如何設(shè)計(jì)高效、工藝簡(jiǎn)單的 離心通風(fēng)機(jī)一直是科研人員研究的主要問題, 設(shè)計(jì)高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。

  葉輪是風(fēng)機(jī)的核心氣動(dòng)部件,葉輪內(nèi)部流動(dòng)的好壞直接決定著整機(jī)的性能和效率。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者為了了解葉輪內(nèi)部的真實(shí)流動(dòng)狀況,改進(jìn)葉輪設(shè)計(jì)以提高葉輪的性能和效率,作了大量的工作。

  為了設(shè)計(jì)出高效的離心葉輪 , 科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律 , 尋求最佳的葉輪設(shè)計(jì)方法。最早使用的是一元設(shè)計(jì)方法,通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和一定的理論分析,獲得離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵截面氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇規(guī)律。在一元方法使用的初期,可以簡(jiǎn)單地通過對(duì)風(fēng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵截面的平均速度計(jì)算,確定離心葉輪和蝸殼的關(guān)鍵參數(shù),而且一般葉片型線采用簡(jiǎn)單的單圓弧成型。這種方法非常粗糙,設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)性能需要設(shè)計(jì)人員有非常豐富的經(jīng)驗(yàn),有時(shí)可以獲得性能不錯(cuò)的風(fēng)機(jī),但是,大部分情況下,設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)效率低下。為了改進(jìn),研究人員對(duì)葉輪輪蓋的子午面型線采用過流斷面的概念進(jìn)行設(shè)計(jì),如此設(shè)計(jì)出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧,這種方法設(shè)計(jì)的葉輪雖然比前一種一元設(shè)計(jì)方法效率略有提高,但是該方法設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)輪蓋加工難度大,成本高,很難用于大型風(fēng)機(jī)和非標(biāo)風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)。另外一個(gè)重要方面就是改進(jìn)葉片設(shè)計(jì),對(duì)于二元葉片的改進(jìn)方法主要為采用等減速方法和等擴(kuò)張度方法等,還有 采用給定葉輪內(nèi)相對(duì)速度 沿平均流線 分布的方法。 等減速方法 從損失的角度考慮, 氣流相對(duì)速度在葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)過程中以同一速率均勻變化,能減少流動(dòng)損失, 進(jìn)而 提高葉輪效率 ;等擴(kuò)張度方法是為了避免局部地區(qū)過大的擴(kuò)張角而提出的方法。 給定的葉輪內(nèi)相對(duì)速度 沿平均流線 的分布是通過控制相對(duì)平均流速沿流線 的變化規(guī)律,通過簡(jiǎn)單幾何關(guān)系,就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡(jiǎn)單,但也需要比較復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。

  隨著數(shù)值計(jì)算以及電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展,可以采用更加復(fù)雜的方法設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)葉片 。 苗水淼等 運(yùn)用“全可控渦”概念, 建立了一種采用流線曲率法在葉輪流道的子午面上進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法 , 該方法目前已經(jīng)推廣至工程界 , 并已經(jīng)取得了顯著效果。但是此方法中決定葉輪設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵 , 即如何給出子午流面上葉片渦的合理分布。這一方面需要具有較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn);另一方面也需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果不斷改進(jìn)以符合葉片渦的分布規(guī)律 , 以期最終設(shè)計(jì)出高效率的葉輪機(jī)械。對(duì)于整個(gè)子午面上可控渦的確定,可以采用 rCu 沿輪盤、輪蓋的給定,可以通過線性插值的方法確定 rCu 在整個(gè)子午面上的分布,也可以通過經(jīng)驗(yàn)公式確定可控渦的分布,也有 利用給定葉片載荷法設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)的葉片。以上方法都是采用流線曲率法,設(shè)計(jì)出的是三元離心葉片,對(duì)于二元離心通風(fēng)機(jī)葉片還不能直接應(yīng)用。但數(shù)值計(jì)算顯示,離心通風(fēng)機(jī)的二元葉片內(nèi)部流動(dòng)的結(jié)構(gòu)是更復(fù)雜的三維流動(dòng)。因此,如何利用三維流場(chǎng)計(jì)算方法進(jìn)一步來設(shè)計(jì)高效二元離心葉輪是提高離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。

  隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展,三維粘性流場(chǎng)計(jì)算獲得了非常大的進(jìn)步,據(jù)此,有一些研究者提出了近似模型方法。該方法是 針對(duì)在工程中完全采用隨機(jī)類優(yōu)化方法尋優(yōu)時(shí)計(jì)算量過大的問題, 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法, 提出的一種 計(jì)算量小、在一定程度上可以保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的方法。在近似模型方法應(yīng)用于葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面 , 國(guó)內(nèi)外研究者們已經(jīng)做了相當(dāng)一部分工作, 其中以響應(yīng)面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用居多。如何有效地將近似模型方法應(yīng)用于多學(xué)科、多工況的優(yōu)化問題 , 并用較少的設(shè)計(jì)參數(shù)覆蓋更大的實(shí)際設(shè)計(jì)空間 , 是一個(gè)重要的課題。

  2007 年,席光等提出了近似模型方法在葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 近似模型的建立過程主要包括 : ( 1 )選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并布置樣本點(diǎn) , 在樣本點(diǎn)上產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)據(jù);( 2 )選擇模型函數(shù)來表示上面的樣本數(shù)據(jù);( 3 )選擇某種方法 , 用上面的模型函數(shù)擬合樣本數(shù)據(jù),建立近似模型。以上每一步選擇不同的方法或者模型,就相應(yīng)產(chǎn)生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利于更準(zhǔn)確地洞察設(shè)計(jì)量和設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系,而且用近似模型來取代計(jì)算費(fèi)時(shí)的評(píng)估目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算分析程序,可以為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供快速的空間探測(cè)分析工具,降低了計(jì)算成本。 在氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,用該模型取代耗時(shí)的高精度的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 , 可以加速設(shè)計(jì)過程 , 降低設(shè)計(jì)成本?;诮y(tǒng)計(jì)學(xué)理論提出的近似模型方法,有效地平衡了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中計(jì)算成本和計(jì)算精度這一對(duì)矛盾。該近似模型方法在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上,將響應(yīng)面方法、 Kriging 方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功地應(yīng)用于葉輪機(jī)械部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,在離心壓縮機(jī)葉片擴(kuò)壓器、葉輪和混流泵葉輪設(shè)計(jì)等問題中得到了成功應(yīng)用 , 展示了廣闊的工程應(yīng)用前景。目前,席光課題組已經(jīng)建立了離心壓縮機(jī)部件及水泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),并在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。

  2008 年,李景銀等在近似模型方法的基礎(chǔ)上提出了 控制離心葉輪流道的相對(duì)平均速度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,將近似模型方法較早的應(yīng)用于離心通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)。該方法通過給出 流道內(nèi)氣流 平均速度 沿平均流線的設(shè)計(jì)分布,設(shè)計(jì)出一組離心風(fēng)機(jī)參數(shù),根據(jù)正交性準(zhǔn)則,在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎(chǔ)上,采用正交優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化組合,并結(jié)合基于流體動(dòng)力學(xué)分析軟件的數(shù)值模擬,最終 成功開發(fā)了與全國(guó)推廣產(chǎn)品 9-19 同樣設(shè)計(jì)參數(shù)和葉輪大小的離心通風(fēng)機(jī)模型,計(jì)算全壓效率提高了 4% 以上 。該方法 簡(jiǎn)單易行、合理可靠, 得到了很高的設(shè)計(jì)開發(fā)效率。

  隨著理論研究的不斷深入和設(shè)計(jì)方法的不斷提高,對(duì)于 降低葉輪氣動(dòng)損失、改善葉輪氣動(dòng)性能的措施, 提高離心風(fēng)機(jī)效率的研究,將會(huì)更好的應(yīng)用于工程實(shí)際中。

  改善離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)葉輪流動(dòng)的方法

  葉輪是離心風(fēng)機(jī)的心臟,離心風(fēng)機(jī)葉輪的內(nèi)部流動(dòng) 是一個(gè) 非常復(fù)雜的 逆壓過程 , 葉輪的高速旋轉(zhuǎn)和葉道復(fù)雜幾何形狀都使其內(nèi)部流動(dòng)變成了非常復(fù)雜的三維湍流流動(dòng) 。由于壓差,葉片通道內(nèi)一般會(huì)存在葉片壓力面向吸力面的二次流動(dòng),同時(shí)由于氣流 90 °轉(zhuǎn)彎,導(dǎo)致輪盤壓力大于輪蓋壓力也形成了二次流,這一般會(huì)導(dǎo)致葉輪的輪蓋和葉片吸力面區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)甚至分離,形成射流—尾跡結(jié)構(gòu)。由于射流—尾跡結(jié)構(gòu)的存在,導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)效率下降,噪聲增大。為了改善離心葉輪內(nèi)部的流動(dòng)狀況,提高葉輪效率,一個(gè)重要的研究方向就是采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能,這也是近年的熱點(diǎn)研究方向。

  2007 年,劉小民等人采用邊界層主動(dòng)控制技術(shù)在壓縮機(jī)進(jìn)氣段選擇性布置渦流發(fā)生器,從而改變?nèi)~輪進(jìn)口處流場(chǎng) , 通過數(shù)值計(jì)算對(duì)不同配置參數(shù)下離心壓縮機(jī)性能進(jìn)行對(duì)比分析。 該文章對(duì)渦流發(fā)生器應(yīng)用于離心葉輪內(nèi)流動(dòng)控制的效果進(jìn)行了初步的驗(yàn)證和研究 , 通過數(shù)值分析表明這種方法確實(shí)可以改善葉輪內(nèi)部流動(dòng) , 達(dá)到提高葉輪性能的效果。但是 該主動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且需要外加控制設(shè)備和能量,對(duì)要求經(jīng)濟(jì)耐用的離心通風(fēng)機(jī)產(chǎn)品不具有競(jìng)爭(zhēng)力。

  采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能的另外一種方法就是 采用自適應(yīng)邊界層控制技術(shù)。 1999 年,黃東濤等人提出了離心通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)中采用長(zhǎng)短葉片開縫方法,該方法 采用的串列葉柵技術(shù), 綜合了長(zhǎng)短葉片和邊界層吹氣兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) ,利用邊界層吹氣技術(shù)抑制邊界層的增長(zhǎng),提高效率,而且試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以有效的提高設(shè)計(jì)和大流量下的風(fēng)機(jī)效率,但對(duì)小流量效果不明顯。文獻(xiàn)用此思想解決了離心葉輪內(nèi)部積灰的問題。雖然串列葉柵技術(shù)在離心壓縮機(jī)葉輪內(nèi)沒有獲得效率提高的效果,但從文獻(xiàn)內(nèi)容看,估計(jì)是由于該文作者主要研究的是串聯(lián)葉片的相位效應(yīng),而沒有研究串聯(lián)葉片的徑向位置的變化影響導(dǎo)致的。

  理論和試驗(yàn)都表明,離心葉輪的射流尾跡結(jié)構(gòu)隨著流量減小更加強(qiáng)烈,而且小流量時(shí),尾跡處于吸力面,設(shè)計(jì)流量時(shí),尾跡處于吸力面和輪蓋交界處。為了提高設(shè)計(jì)和小流量離心通風(fēng)機(jī)效率, 2008 年,田華等人提出了葉片開縫技術(shù),該技術(shù)提出在 葉輪輪蓋與葉片之間 葉片尾部處開縫, 引用葉片壓力面?zhèn)鹊母邏簹怏w吹除吸力面?zhèn)鹊牡退傥槽E區(qū), 直接給葉輪內(nèi)的低速流體提供能量。最終得到 在設(shè)計(jì)流量和小流量情況下,葉輪開縫后葉片表面分離區(qū)域減小,整個(gè)流道速度和葉輪內(nèi)部相對(duì)速度分布更加均勻,且最大絕對(duì)速度明顯減小的結(jié)果。這種方法改善了葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)狀況,達(dá)到了提高離心葉輪性能和整機(jī)性能的效果,而且所形成的射流可以吹除葉片吸力面的積灰,有利于葉輪在氣固兩相流中工作。

  2008 年,李景銀等人提出在 離心風(fēng)機(jī)輪蓋上靠近葉片吸力面處開孔的方法,利用蝸殼內(nèi)的高壓氣體產(chǎn)生射流,從而直接給葉輪內(nèi)的低速或分離流體提供能量,以減弱由葉輪內(nèi)二次流所導(dǎo)致的射流 - 尾跡結(jié)構(gòu),并可用于消除或解決部分負(fù)荷時(shí) , 常發(fā)生的離心葉輪的積灰問題。通過對(duì)離心風(fēng)機(jī)整機(jī)的數(shù)值試驗(yàn),發(fā)現(xiàn) 輪蓋開孔后,在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的風(fēng)機(jī)壓力提高了約 2 %,效率提高了 1 %以上,小流量時(shí)壓力提高了 1.5 %,效率提高了 2.1 %。在設(shè)計(jì)流量和小流量時(shí),由于輪蓋開孔形成的射流,可以明顯改善葉輪出口的分離流動(dòng),減小低速區(qū)域,降低葉輪出口處的最高速度和速度梯度,從而減弱了離心葉輪出口處的射流—尾跡結(jié)構(gòu)。此外,沿葉片表面流動(dòng)分離區(qū)域減小,壓力增加更有規(guī)律。輪蓋開孔方法可以提高設(shè)計(jì)流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機(jī)性能,如果結(jié)合離心葉輪串列葉柵自適應(yīng)邊界層控制技術(shù),有可能全面提高離心葉輪性能。

  結(jié)論

  綜上所述 , 近年來 對(duì)離心 通 風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)的研究取得了明顯進(jìn)展 , 有些研究成果已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中,并獲得令人滿意的結(jié)果。目前 , 對(duì)離心通風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)的研究仍是比較活躍的研究領(lǐng)域之一 ,筆者認(rèn)為可在如下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究:

 ?。?1 )如何將近似模型方法在通風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用進(jìn)行更深入的研究,結(jié)合已有的葉片設(shè)計(jì)技術(shù),探索更加高效快速的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;

 ?。?2 )如何將 串列葉柵 、輪蓋開孔和葉片開縫等離心葉輪自適應(yīng)邊界層控制技術(shù)結(jié)合起來,在全工況范圍內(nèi)改善離心 通 風(fēng)機(jī)葉輪的性能,提高離心風(fēng)機(jī)的效率;

 ?。?3 )考慮非定常特性的設(shè)計(jì)方法研究。目前,研究離心 通 風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部的流動(dòng)均仍以定常計(jì)算為主,隨著動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的發(fā)展 , 人們對(duì)于葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)的非定?,F(xiàn)象及其機(jī)理將越來越清楚 , 將非定常的研究成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)工作中是非常重要的方面。