離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)測(cè)分析

離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)測(cè)分析

0總結(jié)1718后向流的設(shè)計(jì)參數(shù)、第一個(gè)電機(jī)的性能值的估計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果的分析1.1溫度和流量計(jì)算7-188后向風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)我患?jí)、單通道；電機(jī)為1450轉(zhuǎn)/分。最小溫度：20，葉片數(shù)為10。流量為2950m3h；總壓為3040pa。流量系數(shù)=0.01。總壓系數(shù)=0.685；相軸=0.5/0.75/17.8。1.2性能預(yù)設(shè)和實(shí)測(cè)根據(jù)廠家的要求,筆者所在清華大學(xué)流體聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室,按常規(guī)工程設(shè)計(jì)方法對(duì)7-18№8機(jī)進(jìn)行了首輪氣動(dòng)設(shè)計(jì),并采用Fluent軟件包對(duì)整機(jī)三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和性能預(yù)估。在數(shù)值計(jì)算中選取關(guān)鍵的幾個(gè)流道截面采用質(zhì)量加權(quán)平均積分計(jì)算其總壓值,進(jìn)而分析流道各段總壓變化、流動(dòng)損失和整機(jī)效率等數(shù)據(jù),這樣就可明確優(yōu)化方向并進(jìn)行優(yōu)化。得到設(shè)計(jì)工況的優(yōu)化結(jié)果后,進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)了最佳效率點(diǎn)的偏移,又進(jìn)行了其它工況的性能數(shù)值預(yù)估。首輪7-18風(fēng)機(jī)樣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的性能預(yù)估和實(shí)測(cè)曲線,即全壓-流量(p-Q)曲線、全壓效率-流量(Q-η)曲線,見圖1。由圖1可見,首輪樣機(jī)的數(shù)值模擬的性能預(yù)估:設(shè)計(jì)工況點(diǎn)(流量為2950m3/h)的全壓為3090Pa,效率為83.4%,但其最佳效率點(diǎn)的流量是3850m3/h,效率為84%,全壓為2700Pa;實(shí)測(cè)的性能數(shù)據(jù):設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的全壓為2984Pa,效率為78.2%,但其最佳效率點(diǎn)的流量是3820m3/h,效率為79.5%,全壓為2900Pa。由于葉片數(shù)少,比轉(zhuǎn)數(shù)低,數(shù)值模擬和試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差比一般要大些,但總的來(lái)看,無(wú)論是設(shè)計(jì)工況和最大效率點(diǎn)工況及其附近的變工況區(qū)域中,數(shù)值預(yù)估和實(shí)測(cè)結(jié)果符合尚可(筆者為了在篇幅有限的圖上,更清楚地表示數(shù)據(jù),本文所有曲線用的坐標(biāo)均放大了,這樣誤差也顯得更大,特此說(shuō)明)。無(wú)論從數(shù)值模擬或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)都可明顯發(fā)現(xiàn):首輪7-18風(fēng)機(jī)的最佳工況點(diǎn)的流量值比原設(shè)計(jì)流量向大流量區(qū)有相當(dāng)大的偏移,設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為2950m3/h,但實(shí)測(cè)和數(shù)值預(yù)估流量分別是3820m3/h和3850m3/h,二者符合很好,它們向大流量區(qū)偏移高達(dá)30%左右。7-18風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和其它過(guò)去設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)相比,有兩個(gè)不同:一是葉片數(shù)很少,只有10個(gè)葉片;另一特點(diǎn)是比轉(zhuǎn)數(shù)小,只有18。為了進(jìn)一步確定原因,將葉片數(shù)增大到16,重新進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化,結(jié)果表明其最佳效率點(diǎn)的流量仍然是比原設(shè)計(jì)流量大很多,于是,認(rèn)為很可能是小比轉(zhuǎn)數(shù)的影響。為此又對(duì)其它兩個(gè)小比轉(zhuǎn)數(shù)風(fēng)機(jī)系列的結(jié)果進(jìn)行了分析,考察是否也有這種類似情況。27-09和-22.7-22小比例曲線軸的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的分析2.17氣動(dòng)設(shè)計(jì)的總體模型7-09的設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)流量為1500m3/h;全壓為12000Pa;轉(zhuǎn)速為2900r/min;工作溫度為20℃;葉片數(shù)為12;對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)為0.00682;全壓系數(shù)為0.677;比轉(zhuǎn)數(shù)為9,為特小比轉(zhuǎn)數(shù)風(fēng)機(jī)。7-09樣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的性能預(yù)估和實(shí)測(cè)曲線,見圖2。由圖2可見,7-09的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量1500m3/h時(shí),預(yù)估全壓為12670Pa,全壓效率為70.9%。但是其最高效率點(diǎn)的流量為2100m3/h,效率為74.1%,全壓為12000Pa,最佳工況點(diǎn)偏移向大流量方向達(dá)40%;而從7-09的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看,設(shè)計(jì)流量1500m3/h時(shí),全壓為13110Pa,效率為63.7%;最佳效率點(diǎn)流量為2300m3/h,全壓為12800Pa,效率為68.7%,最佳工況點(diǎn)偏移向大流量方向達(dá)53%,總的來(lái)看計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果符合較好,二者都表明最佳工況流量向大流量區(qū)有偏離,和7-18相比,偏離更大。似乎是比轉(zhuǎn)數(shù)越小,偏離越大,數(shù)值預(yù)估和實(shí)測(cè)結(jié)果誤差也更大些。2.27-32試驗(yàn)結(jié)果7-22的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇:設(shè)計(jì)流量為4200m3/h;全壓為3040Pa;轉(zhuǎn)速為1450r/min;工作溫度為20℃;葉片數(shù)為16,對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)Φ=0.038;全壓系數(shù)Ψ=0.686;比轉(zhuǎn)數(shù)為21.2。7-22樣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的性能預(yù)估和實(shí)測(cè)性能曲線見圖3。7-22的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,其設(shè)計(jì)流量為4200m3/h時(shí),預(yù)估全壓為3064Pa,全壓效率為85.6%;最高效率點(diǎn)的流量為4600m3/h,效率為86.9%,全壓為2950Pa。而由7-22試驗(yàn)結(jié)果得到:在設(shè)計(jì)流量4200m3/h點(diǎn),全壓為3083Pa,效率為86%。最佳工況點(diǎn)的位置約在4500m3/h,效率為86.2%,全壓為3050Pa。總體看來(lái)二者符合很好,最佳工況點(diǎn)也向大流量方向偏移,但只有10%,在上述3個(gè)算例中它是最小的,而比轉(zhuǎn)數(shù)也是最大的。3數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證上述3個(gè)小比轉(zhuǎn)數(shù)風(fēng)機(jī)的性能實(shí)測(cè)和數(shù)值預(yù)估表明:其設(shè)計(jì)工況均向大流量區(qū)偏離,而這種偏離可以通過(guò)風(fēng)機(jī)變工況性能數(shù)值模擬得到預(yù)估。為了使小比轉(zhuǎn)數(shù)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)工況和最佳效率點(diǎn)工況吻合,可以在氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí),故意選擇比它原設(shè)計(jì)流量小的流量值,作為設(shè)計(jì)流量,并可適當(dāng)調(diào)整原設(shè)計(jì)全壓,使數(shù)值模擬得到的最佳效率點(diǎn)的流量恰好是原設(shè)計(jì)流量,全壓恰好是原設(shè)計(jì)全壓,而這個(gè)設(shè)計(jì)流量的選擇和相應(yīng)的原設(shè)計(jì)全壓的調(diào)整值可以通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)來(lái)確定。這種方法雖然需要多花不少數(shù)值計(jì)算時(shí)間,但總比通過(guò)制作大量樣機(jī)并進(jìn)行性能試驗(yàn)來(lái)試湊設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和最大效率點(diǎn)的吻合,在人力、物力和時(shí)間上會(huì)節(jié)省很多,會(huì)是一種又好又快的方法。用此方法,筆者對(duì)7-18樣機(jī)進(jìn)行了新一輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì),也就是新7-18風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì),為了滿足最佳工況點(diǎn)是原設(shè)計(jì)流量值2950m3/h的要求,通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn),采用氣動(dòng)的設(shè)計(jì)流量為2100m3/h,同時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)全壓3040Pa也進(jìn)行調(diào)整為3087Pa,得到了最佳效率點(diǎn)的流量為3150m3/h,效率為84.5%,原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)2950m3/h處全壓為3020Pa,效率為84%。雖然最佳工況點(diǎn)還有一定的偏移,但它和設(shè)計(jì)流量偏差只有2%,效率差異也只有0.5%,滿足原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)全壓要求并有相當(dāng)高的效率,應(yīng)該是一個(gè)較好的氣動(dòng)設(shè)計(jì)。新7-18樣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的性能預(yù)估曲線,見圖4。4小比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的數(shù)值試驗(yàn)及優(yōu)化經(jīng)過(guò)3個(gè)系列的小比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的分析與總結(jié),筆者發(fā)現(xiàn)按照風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的小比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī),在一定程度上都存在最佳工況點(diǎn)向大流量區(qū)偏移的情況,并且比轉(zhuǎn)數(shù)越小,其偏離情況越嚴(yán)重。對(duì)此,建議在進(jìn)行小比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)數(shù)值經(jīng)驗(yàn),降低原設(shè)計(jì)工況流量,同時(shí)適當(dāng)調(diào)整其原設(shè)計(jì)全壓,并通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn),首先使設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的流量和最佳效率點(diǎn)流量吻合,并且滿足原設(shè)計(jì)全壓要求并有盡可能高的效率。正常比轉(zhuǎn)數(shù)的離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)都是針對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況流量進(jìn)行,其結(jié)果是在此設(shè)計(jì)工況流量下,滿