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如何提高离心通风机叶轮性能浅述

时间:2013-06-25 点击次数:3462
  离心式通风机作为流体机械的一种重要类型,广泛应用于国民经济各个部分,是主要的耗能机械之一,也是节能减排的一个重要研究领域。研究历程标明:提高离心通风机叶轮设计水平,是提高离心通风机效率、扩大其工况规模的要害。
  
  本文将从离心通风机叶轮的设计和利用界限层控制技术提高离心通风机叶轮性能这两个方面,对近年来提出的提高离心通风机性能的要领和途径的研究进行归纳剖析。
  
  1离心通风机叶轮的设计要领简述
  
  如何设计、工艺简单的离心通风机一直是科研人员研究的主要问题,设计叶轮叶片是解决这一问题的主要途径。
  
  叶轮是风机的焦点气动部件,叶轮内部流动的优劣直接决定着整机的性能和效率。因此海内外学者为了了解叶轮内部的真实流动状况,革新叶轮设计以提高叶轮的性能和效率,作了大宗的事情。
  
  为了设计出的离心叶轮,科研事情者们从种种角度来研究气体在叶轮内的流动纪律,寻求*的叶轮设计要领。zui早使用的是一元设计要领[1],通过大宗的统计数据和一定的理论剖析,获得离心通风机各个要害截面气动和结构参数的选择纪律。在一元要领使用的初期,可以简单地通过对风机各个要害截面的平均速度盘算,确定离心叶轮和蜗壳的要害参数,并且一般叶片型线接纳简单的单圆弧成型。这种要领很是粗糙,设计的风机性能需要设计人员有很是富厚的经验,有时可以获得性能不错的风机,可是,大部分情况下,设计的通风机效率低下。为了革新,研究人员对叶轮轮盖的子午面型线接纳过流断面的看法进行设计[2-3],如此设计出来的离心叶轮的轮盖为两段或多段圆弧,这种要领设计的叶轮虽然比前一种一元设计要领效率略有提高,可是该要领设计的风机轮盖加工难度大,本钱高,很难用于大型风机和非标风机的生产。另外一个重要方面就是革新叶片设计,关于二元叶片的革新要领主要为接纳等减速要领和等扩张度要领等[4],另有接纳给定叶轮内相对速度W沿平均流线m漫衍[5]的要领。等减速要领从损失的角度考虑,气流相对速度在叶轮流道内的流动历程中以同一速率均匀变革,能减少流动损失,进而提高叶轮效率;等扩张度要领是为了制止局部地区过大的扩张角而提出的要领。给定的叶轮内相对速度W沿平均流线m的漫衍是通过控制相对平均流速沿流线m的变革纪律,通过简单几何关系,就可以获得叶片型线沿半径的漫衍。以上要领虽然简单,但也需要比较庞大的数值盘算。
  
  随着数值盘算以及电子盘算机的高速生长,可以接纳越发庞大的要领设计离心通风机叶片。苗水淼等运用“全可控涡”看法[6],建立了一种接纳流线曲率法在叶轮流道的子午面上进行叶轮设计的设计要领,该要领目前已经推广至工程界,并已经取得了显著效果[7]。可是此要领中决定叶轮设计乐成与否的要害,即如何给出子午流面上叶片涡的合理漫衍。这一方面需要具有较富厚的设计经验;另一方面也需要在设计历程中对设计结果不绝革新以切合叶片涡的漫衍纪律,以期zui终设计出率的叶轮机械。关于整个子午面上可控涡简直定,可以接纳rCu沿轮盘、轮盖的给定,可以通过线性插值的要领确定rCu在整个子午面上的漫衍[8-9],也可以通过经验公式确定可控涡的漫衍[10],也有利用给定叶片载荷法[11]设计离心通风机的叶片。以上要领都是接纳流线曲率法,设计出的是三元离心叶片,关于二元离心通风机叶片还不可直接应用。但数值盘算显示,离心通风机的二元叶片内部流动的结构是更庞大的三维流动。因此,如何利用三维流场盘算要领进一步来设计二元离心叶轮是提高离心通风机设计技术的要害。
  
  随着盘算技术的不绝生长,三维粘性流场盘算获得了很是大的进步,据此,有一些研究者提出了近似模型要领。该要领是针对在工程中*接纳随机类优化要领寻优时盘算量过大的问题,应用统计学的要领,提出的一种盘算量小、在一定水平上可以包管设计准确性的要领。在近似模型要领应用于叶轮机械气动优化设计方面,海内外研究者们已经做了相当一部分事情[12-14],其中以响应面和人工神经网络要领应用居多。如何有效地将近似模型要领应用于多学科、多工况的优化问题,并用较少的设计参数笼罩更大的实际设计空间,是一个重要的课题。
  
  2007年,席光等提出了近似模型要领在叶轮机械气动优化设计中的应用。
  
  近似模型的建立历程主要包括:
  
  (1)选择试验设计要领并安排样本点,在样本点上爆发设计变量和设计目标对应的样本数据;
  
  (2)选择模型函数来体现上面的样本数据;
  
  (3)选择某种要领,用上面的模型函数拟合样本数据,建立近似模型。以上每一步选择差别的要领或者模型,就相应爆发了种种差别的近似模型要领。该要领不但有利于更准确地洞察设计量和设计目标之间的关系,并且用近似模型来取代盘算费时的评估目标函数的盘算剖析程序,可以为工程优化设计提供快速的空间探测剖析工具,降低了盘算本钱。在气动优化设计历程中,用该模型取代耗时的高精度的盘算流体动力学剖析,可以加速设计历程,降低设计本钱。基于统计学理论提出的近似模型要领,有效地平衡了基于盘算流体动力学剖析的叶轮机械气动优化设计中盘算本钱和盘算精度这一对矛盾。该近似模型要领在试验设计要领基础上,将响应面要领、Kriging要领和人工神经网络技术乐成地应用于叶轮机械部件的优化设计中,在离心压缩机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中获得了乐成应用,展示了辽阔的工程应用前景。目前,席光课题组已经建立了离心压缩机部件及水泵叶轮的优化设计系统,并在工程设计中发挥了重要作用。
  
  2008年,李景银等在近似模型要领的基础上提出了控制离心叶轮流道的相对平均速度优化设计要领,将近似模型要领较早的应用于离心通风机叶轮设计。该要领通过给出流道内气流平均速度沿平均流线的设计漫衍,设计出一组离心风机参数,凭据正交性准则,在充分考虑影响叶轮效率因素的基础上,接纳正交优化要领进行优化组合,并结合基于流体动力学剖析软件的数值模拟,zui终乐成开发了与全国推广产品9-19同样设计参数和叶轮巨细的离心通风机模型,盘算全压效率提高了4%以上。该要领简单易行、合理可靠,获得了很高的设计开发效率。
  
  随着理论研究的不绝深入和设计要领的不绝提高,关于降低叶轮气动损失、改善叶轮气动性能的步伐,提高离心风机效率的研究,将会更好的应用于工程实际中。
  
  2改善离心通风机内叶轮流动的要领
  
  叶轮是离心风机的心脏,离心风机叶轮的内部流动是一个很是庞大的逆压历程,叶轮的高速旋转和叶道庞大几何形状都使其内部流动酿成了很是庞大的三维湍流流动。由于压差,叶片通道内一般会保存叶片压力面向吸力面的二次流动,同时由于气流90°转弯,导致轮盘压力大于轮盖压力也形成了二次流,这一般会导致叶轮的轮盖和叶片吸力面区域泛起低速区甚至疏散,形成射流—尾迹结构[17]。由于射流—尾迹结构的保存,导致离心风机效率下降,噪声增大。为了改善离心叶轮内部的流动状况,提高叶轮效率,一个重要的研究偏向就是接纳界限层控制方法提高离心叶轮性能,这也是近年的热点研究偏向。
  
  2007年,刘小民等人接纳界限层主动控制技术在压缩机进气段选择性安排涡流爆发器,从而改变叶轮进口处流场,通过数值盘算对差别配置参数下离心压缩机性能进行比照剖析[18]。该文章对涡流爆发器应用于离心叶轮内流动控制的效果进行了开端的验证和研究,通过数值剖析标明这种要领确实可以改善叶轮内部流动,抵达提高叶轮性能的效果。可是该主动控制技术结构庞大,并且需要外加控制设备和能量,对要求经济耐用的离心通风机产品不具有竞争力。
  
  接纳界限层控制方法提高离心叶轮性能的另外一种要领就是接纳自适应界限层控制技术。1999年,黄东涛等人提出了离心通风机叶轮设计中接纳是非叶片开缝要领[19-20],该要领接纳的串列叶栅技术,综合了是非叶片和界限层吹气两种技术的优点,利用界限层吹气技术抑制界限层的增长,提率,并且试验结果标明[20],该要领可以有效的提高设计和大流量下的风机效率,但对小流量效果不明显。文献[21]用此思想解决了离心叶轮内部积灰的问题。虽然串列叶栅技术在离心压缩机叶轮[20]内没有获得效率提高的效果,但从文献内容看,预计是由于该文作者主要研究的是串联叶片的相位效应,而没有研究串联叶片的径向位置的变革影响导致的。
  
  理论和试验都标明,离心叶轮的射流尾迹结构随着流量减小越发强烈,并且小流量时,尾迹处于吸力面,设计流量时,尾迹处于吸力面和轮盖交界处。为了提高设计和小流量离心通风机效率,2008年,田华等人提出了叶片开缝技术[22],该技术提出在叶轮轮盖与叶片之间叶片尾部处开缝,引用叶片压力面侧的高压气体吹除吸力面侧的低速尾迹区,直接给叶轮内的低速流体提供能量。zui终获得在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后叶片外貌疏散区域减小,整个流道速度和叶轮内部相对速度漫衍越发均匀,且zui大速度明显减小的结果。这种要领改善了叶轮内部流场的流动状况,抵达了提高离心叶轮性能和整机性能的效果,并且所形成的射流可以吹除叶片吸力面的积灰,有利于叶轮在气固两相流中事情。
  
  2008年,李景银等人提出在离心风机轮盖上靠近叶片吸力面处开孔的要领[23],利用蜗壳内的高压气体爆发射流,从而直接给叶轮内的低速或疏散流体提供能量,以减弱由叶轮内二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时,常爆发的离心叶轮的积灰问题。通过对离心风机整机的数值试验,发明轮盖开孔后,在设计点四周的风机压力提高了约2%,效率提高了1%以上,小流量时压力提高了1.5%,效率提高了2.1%。在设计流量和小流量时,由于轮盖开孔形成的射流,可以明显改善叶轮出口的疏散流动,减小低速区域,降低叶轮出口处的zui高速度和速度梯度,从而减弱了离心叶轮出口处的射流—尾迹结构。别的,沿叶片外貌流动疏散区域减小,压力增加更有纪律。轮盖开孔要领可以提高设计流量和小流量下的闭式离心叶轮性能和整机性能,如果结合离心叶轮串列叶栅自适应界限层控制技术,有可能全面提高离心叶轮性能。
  
  3结论
  
  综上所述,近年来对离心通风机叶轮内部流动的研究取得了明显进展,有些研究结果已经应用到实际设计中,并获得令人满意的结果。目前,对离心通风机叶轮内部流动的研究仍是比较活跃的研究领域之一,笔者认为可在如下方面进行进一步研究:
  
  (1)如何将近似模型要领在通风机方面的应用进行更深入的研究,结合已有的叶片设计技术,探索越发快速的优化设计要领;
  
  (2)如何将串列叶栅、轮盖开孔和叶片开缝等离心叶轮自适应界限层控制技术结合起来,在全工况规模内改善离心通风机叶轮的性能,提高离心风机的效率;
  
  (3)考虑非定常特性的设计要领研究。目前,研究离心通风机叶轮内部的流动均仍以定常盘算为主,随着动态试验和数值模拟的生长,人们关于叶轮机械内部流动的非定常现象及其机理将越来越清楚,将非定常的研究结果应用于设计事情中是很是重要的方面。

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