離心通風(fēng)機葉輪的設(shè)計方法簡述

1、離心通風(fēng)機葉輪的設(shè)計方法簡述如何設(shè)計高效、工藝簡單的 離心通風(fēng)機一直是科研人員研究的主要問題，設(shè)計高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。葉輪是風(fēng)機的核心氣動部件，葉輪內(nèi)部流誘導(dǎo)風(fēng)機動的好壞直接決定著整機的性能和效 率。因此國內(nèi)外學(xué)者為了了解葉輪內(nèi)部的真實流動狀況，改進(jìn)葉輪設(shè)計以提高葉輪的性能和效率，作了大量的工作。為了設(shè)計出高效的離心葉輪，科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內(nèi)的流動規(guī)律，尋求最佳的葉輪設(shè)計方法。最早使用的是一元設(shè)計方法1,通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和一定的理論分析，獲得離心通風(fēng)機各個關(guān)鍵截面氣動和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇規(guī)律。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風(fēng)機各個關(guān)鍵截面的平均速度計

2、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單的單圓弧成型。這種方法非常粗糙， 設(shè)計的風(fēng)機性能需要設(shè)計人員有非常豐富的經(jīng)驗，有時可以獲得性能不錯的風(fēng)機，但是，大部分情況下，設(shè)計的通風(fēng)機效率低下。為了改進(jìn)，研究人員對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2-3，如此設(shè)計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設(shè)計的葉輪雖然比前一種一元設(shè)計方法效率略有提高，但是該方法設(shè)計的風(fēng)機輪蓋加工難度大，成本高，很難用于大型風(fēng)機和非標(biāo)風(fēng)機的生產(chǎn)。另外一個重要方面就是改進(jìn)葉片設(shè)計，對于二元葉片的改進(jìn)方法主要為采用等減速方法和等擴(kuò)張度方法等4，還有采用給定葉輪內(nèi)相對速度W沿平均流線m分

3、布5的方法。等減速方法從損失的角度考慮，氣流相對速度在葉輪流道內(nèi)的流動過程中以同一速率均勻變化，能減少流動損失，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)相對速度 W沿平均流線 m的分布是柜式風(fēng)機通過控制相對平均流速沿流線m的變化規(guī)律，通過簡單幾何關(guān)系，就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單，但也需要比較復(fù)雜的數(shù)值計算。隨著數(shù)值計算以及電子計算機的高速發(fā)展，可以采用更加復(fù)雜的方法設(shè)計離心通風(fēng)機葉片。苗水淼等運用全可控渦”概念6,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)計的設(shè)計方法，該方法目前已經(jīng)推廣至工程界，并已經(jīng)取得了顯著

4、效果7。但是此方法中決定葉輪設(shè)計成功與否的關(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)計經(jīng)驗；另一方面也需要在設(shè)計過程中對設(shè)計結(jié)果不斷改進(jìn)以消防風(fēng)機符合葉片渦的分布規(guī)律，以期最終設(shè)計出高效率的葉輪機械。對于整個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在整個子午面上的分布8-9，也可以通過經(jīng)驗公式確定可控渦的分布10，也有利用給定葉片載荷法 11設(shè)計離心通風(fēng)機的葉片。以上方法都是采用流線曲率法，設(shè)計出的是 三元離心葉片，對于二元離心通風(fēng)機葉片還不能直接應(yīng)用。但數(shù)值計算顯示，離心通風(fēng)機的二元葉片內(nèi)部流動的結(jié)構(gòu)是更復(fù)雜的三維流

5、動。因此，如何利用三維流場計算方法進(jìn)一步來設(shè)計高效二元離心葉輪是提高離心通風(fēng)機設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵。隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展，三維粘性流場計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。該方法是針對在工程中完全采用隨機類優(yōu)化方法尋優(yōu)時計算量過大的問題，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的方法，提出的一種計算量小、在一定程度上可以保證設(shè)計準(zhǔn)確性的方法。在近似模型方法應(yīng)用于葉輪機械氣動優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)外研究者們已經(jīng)做了相當(dāng)一部分工作 12-14,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)計參數(shù)覆蓋更大的實際設(shè)計空間，是一個重要的課題。2007年，

6、席光等提出了近似模型方法在葉輪機械氣動優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用15。近似模型的建立過程主要包括：（1）選擇試驗設(shè)計方法并布置樣本點，在樣本點上產(chǎn)生設(shè)計變量和設(shè)計目標(biāo)對應(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)計量和設(shè)計目標(biāo)之間的關(guān)系，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標(biāo)函數(shù)的計算分析程序， 可以為工程優(yōu)化設(shè)計提供快速的空間探測分析工具，降低了計算成本。在氣動優(yōu)化設(shè)計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學(xué)分析，可以加

7、速設(shè)計過程，降低設(shè)計成本?；诮y(tǒng)計學(xué)理論提出的近似模型方法，有效地平衡了基于計算流體動力學(xué)分析的葉輪機械氣動優(yōu)化設(shè)計中計算成本和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設(shè)計方法基礎(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)用于葉輪機械部件的優(yōu)化設(shè)計中，在離心壓縮機葉片擴(kuò)壓器、葉輪和混流泵葉輪設(shè)計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)建立了離心壓縮機部件及水泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，并在工程設(shè)計中發(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平均速度優(yōu)化設(shè)計方法16，將近似模型方法較早的應(yīng)用于離心通風(fēng)機葉輪設(shè)

8、計。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)計分布，設(shè)計出一組離心風(fēng)機參數(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)合基于流體動力學(xué)分析軟件的數(shù)值模擬，最終成功開發(fā)了與全國推廣產(chǎn)品9-19同樣設(shè)計參數(shù)和葉輪大小的離心通風(fēng)機模型，計算全壓效率提高了 4%以上。該方法 簡單易行、合理可靠，得到了很高的設(shè)計開發(fā)效率。隨著理論研究的不斷深入和設(shè)計方法的不斷提高，對于降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施，提高離心風(fēng)機效率的研究，將會更好的應(yīng)用于工程實際中。 news.asp?id=524風(fēng)機節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨勢1.3.1通風(fēng)機通過應(yīng)用葉輪、蝸殼等

9、元件的研究成果，以及進(jìn)一步提高制造精度，力求使各種通風(fēng)機的效率平均提高 5%10%。有的離心通風(fēng)機已采用了三元葉輪，效率提高10% ;大型離心通風(fēng)機出現(xiàn)了采用較大直徑和較窄寬度葉輪、較高轉(zhuǎn)速的高效結(jié)構(gòu)，其最高效率可達(dá) 87%以上；效率較高的軸流式通風(fēng)機，最高效率已達(dá)92%。從而使產(chǎn)品本身就是節(jié)能產(chǎn)的特殊形狀使得對其開展研究變得困難。近年來，國內(nèi)外專家如：Lowson 、Wan-Ho Jeon 等都針對離品。在運行中的調(diào)節(jié)節(jié)能方面， 除了采用較先進(jìn)的動葉可調(diào)、 雙速電動機、液力耦合器及交 流電動機的各種方法調(diào)速外， 對大型通風(fēng)機又出現(xiàn)了調(diào)速節(jié)能的新裝置 一一多級液力變速傳 動裝置 MSVD (

10、Multi Stage Variable Speed Drive )。1.3.2鼓風(fēng)機未來將會大力開展節(jié)能型鼓風(fēng)機的研制工作。如日本對蝸殼及葉輪等通流部分的形狀做了適當(dāng)改進(jìn)，有效地防止了渦流及流動分離的產(chǎn)生，其絕熱效率比原來的鼓風(fēng)機提高5%10% ;瑞士制造的大流量離心式鼓風(fēng)機，每級均設(shè)有進(jìn)口導(dǎo)葉，其多變效率亦達(dá)82% ;日本制造的多級離心式鼓風(fēng)機，采用進(jìn)口導(dǎo)葉連續(xù)自動調(diào)節(jié)后，節(jié)能率達(dá)20% ;高速單級離心式鼓風(fēng)機采用高周速、高壓比、半開式徑向三元葉輪后，其效率可提高10% ;還有的在鼓風(fēng)機主軸的另一端設(shè)有尾氣透平，回收尾氣排放時的膨脹功來達(dá)到節(jié)能目的。高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(Top G

11、as Pressure Recovery Turbine，簡稱 TRT裝置),是利用高爐爐頂煤氣壓力能經(jīng)透平膨脹做功，驅(qū)動發(fā)電機的能量回收裝置。該裝置既 節(jié)能，又符合環(huán)保要求。目前，該裝置發(fā)展最快、水平最高的是日本。1.3.3離心式壓縮機離心式壓縮機將會越來越多地采用三元流動葉輪，使效率平均提高2%5%。如美國研制出的管線壓縮機的 3種大流量三元葉輪，葉輪效率可達(dá)94%95% ;日本的單軸多級離心壓縮機的效率水平也進(jìn)一步提高，其首級的大流量半開式三元葉輪的絕熱效率達(dá)94%。其調(diào)節(jié)方式將會更多地采用汽輪機或燃汽輪機驅(qū)動，以改變轉(zhuǎn)速來達(dá)到節(jié)能的目的。國內(nèi)在風(fēng)機節(jié)能工作中采取的主要措施(1 )推廣使

12、用高效節(jié)能風(fēng)機。 改造低效的舊式風(fēng)機， 開發(fā)高效的系列化的節(jié)能風(fēng)機， 并在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域推廣使用，是風(fēng)機節(jié)能的根本措施。(2 )更換使用中的舊風(fēng)機。對使用效率低又沒有改造價值的風(fēng)機，采取逐步淘汰的 措施。(3 )盡可能地采用經(jīng)濟(jì)性好的調(diào)節(jié)方法。(4 )利用引進(jìn)技術(shù)開發(fā)高效節(jié)能風(fēng)機。經(jīng)過20多年的努力，風(fēng)機制造企業(yè)對此已做了大量工作。例如，上海鼓風(fēng)機廠和沈陽鼓風(fēng)機廠分別引進(jìn)了德國TLT公司和丹麥諾文科公司的動葉可調(diào)軸流通風(fēng)機技術(shù)；成都電力機械廠和沈陽鼓風(fēng)機廠引進(jìn)了德國KKK 公司的靜葉可調(diào)軸流通風(fēng)機技術(shù)；武漢鼓風(fēng)機廠引進(jìn)了日本三菱重工的動葉可調(diào)軸流通風(fēng)機技術(shù)；廣州風(fēng)機廠引進(jìn)了丹麥諾文科通風(fēng)設(shè)備

13、有限公司的軸流和離心通風(fēng)機技術(shù)；石家莊風(fēng)機廠引進(jìn)了日本荏原濱田送風(fēng)機株式會社NEW3S 4個系列離心通風(fēng)機產(chǎn)品技術(shù)及加工工藝技術(shù)；沈陽鼓風(fēng)機廠引進(jìn)了意大利新比隆公司MCL、 BCL、 PCL 3個系列的離心壓縮機及日本日立公司 DH型離心壓縮機技術(shù)；陜西鼓風(fēng)機廠引進(jìn)了瑞士蘇爾壽公司的軸流壓 縮機技術(shù)；長沙鼓風(fēng)機廠引進(jìn)了日本大晃機械工業(yè)株式會社的羅茨鼓風(fēng)機技術(shù)。離心風(fēng)機氣動噪聲研究方法的分析與建議1引言離心風(fēng)機的噪聲以氣動噪聲為主，在性質(zhì)上可以分為離散噪聲與寬帶噪聲。其氣動噪聲主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產(chǎn)生，并通過進(jìn)、岀氣通道加以傳播。蝸殼內(nèi)部的三維非穩(wěn)定流場以及殼體 心風(fēng)機噪聲做了

14、很多研究，在發(fā)聲機理和聲源傳播、數(shù)值模擬、測試技術(shù)等方面都取得了不少突破，但仍 有很多需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善之處。本文綜合了近年來國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的理論計算和試驗研究方法，同時 提岀了新的建議。2理論計算方法2.1點源模型對于風(fēng)機而言，點源模型是一種十分有用的技術(shù)。這種近似的準(zhǔn)則是，所要研究的最高頻率的波長入應(yīng)該遠(yuǎn)大于聲源的物理尺寸L。為滿足這個準(zhǔn)則要求，對發(fā)射較高頻率噪聲的葉片，在應(yīng)用點源模型時，可將每個相關(guān)面積或相關(guān)體積視為一個小尺寸的孤立聲源，將風(fēng)機葉片用沿著葉片展長分布的孤立點源的總 和來模擬。目前有人研究了自由聲場旋轉(zhuǎn)點聲源的聲學(xué)特性；Lowson通過波動方程推導(dǎo)出了運動點源產(chǎn)生的聲場公

15、式，該公式適合于葉片上的每個微元體，然后對葉片上的所有微元求積分就可以求岀葉片運動產(chǎn) 生的聲場。但擬定葉片微元的點源尺寸是一個難題，而且一般來說風(fēng)機葉片都不是直葉片，甚至在空間有 很大扭曲，用點源模型進(jìn)行模擬容易產(chǎn)生較大誤差。另外，上述研究針對的是自由聲場，而離心風(fēng)機必須 考慮蝸殼的影響。22蝸舌的尖劈模擬靜止平板尾緣紊流邊界層聲發(fā)射的理論計算公式早已得岀，但用于葉輪機械噪聲還需進(jìn)一步改進(jìn)。陸 桂林考慮了葉片旋轉(zhuǎn)對聲發(fā)射的影響，并結(jié)合有關(guān)試驗資料，引入葉片幾何參數(shù)的組合關(guān)系式，推導(dǎo)岀了一個有個葉片的離心風(fēng)機葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發(fā)射計算公式。這些都是在無蝸殼假定下噪聲計算公式的推導(dǎo)。為了模擬有蝸殼存在的情況，Wan-HoJeon在葉輪附近放置一個尖劈模擬蝸舌，以它來作為產(chǎn)生離散噪聲的聲源，如圖1所示。通過此模型計算岀流場，然后用非定常的伯努利方程計算岀作用在葉片微元上所受的力，最后利用Lowson導(dǎo)出的任意運動點源的聲場公式計算聲壓：運用該模型進(jìn)行風(fēng)機噪聲的數(shù)值模擬可以得到很