提高離心通風(fēng)機葉輪性能淺述
來源： | 責(zé)任編輯：admin | 發(fā)布時間： 2018-05-22
引言
離心式通風(fēng)機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個部門 , 是主要的耗能機械之一，也是節(jié)能減排的一個重要研究領(lǐng)域。 研究過程表明 ： 提高離心通風(fēng)機葉輪設(shè)計水平 , 是 提高離心通風(fēng)機效率、擴大其工況范圍的關(guān)鍵。本文將從離心通風(fēng)機葉輪的設(shè)計和利用 邊界層控制技術(shù)提高離心通風(fēng)機葉輪性能這 兩個方面，對近年來提出的 提高離心通風(fēng)機性能的方法和途徑 的研究進行歸納分析。
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，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葉片設(shè)計，對于二元葉片的改進方法主要為采用等減速方法和等擴張度方法等 [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， 進而 提高葉輪效率 ;等擴張度方法是為了避免局部地區(qū)過大的擴張角而提出的方法。 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)果不斷改進以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)雜的三維流動。因此，如何利用三維流場計算方法進一步來設(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，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 , 可以加速設(shè)計過程 , 降低設(shè)計成本。基于統(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)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。
2 改善離心通風(fēng)機內(nèi)葉輪流動的方法
葉輪是離心風(fēng)機的心臟，離心風(fēng)機葉輪的內(nèi)部流動 是一個 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)部流動變成了非常復(fù)雜的三維湍流流動 。由于壓差，葉片通道內(nèi)一般會存在葉片壓力面向吸力面的二次流動，同時由于氣流 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) [17] 。由于射流—尾跡結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致離心風(fēng)機效率下降，噪聲增大。為了改善離心葉輪內(nèi)部的流動狀況，提高葉輪效率，一個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，這也是近年的熱點研究方向。
2007 年，劉小民等人采用邊界層主動控制技術(shù)在壓縮機進氣段選擇性布置渦流發(fā)生器，從而改變?nèi)~輪進口處流場 , 通過數(shù)值計算對不同配置參數(shù)下離心壓縮機性能進行對比分析 [18] 。 該文章對渦流發(fā)生器應(yīng)用于離心葉輪內(nèi)流動控制的效果進行了初步的驗證和研究 , 通過數(shù)值分析表明這種方法確實可以改善葉輪內(nèi)部流動 , 達到提高葉輪性能的效果。但是 該主動控制技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要外加控制設(shè)備和能量，對要求經(jīng)濟耐用的離心通風(fēng)機產(chǎn)品不具有競爭力。
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)機葉輪設(shè)計中采用長短葉片開縫方法 [19-20] ，該方法 采用的串列葉柵技術(shù)， 綜合了長短葉片和邊界層吹氣兩種技術(shù)的優(yōu)點 ，利用邊界層吹氣技術(shù)抑制邊界層的增長，提高效率，而且試驗結(jié)果表明 [20] ，該方法可以有效的提高設(shè)計和大流量下的風(fēng)機效率，但對小流量效果不明顯。文獻 [21] 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)在離心壓縮機葉輪 [20] 內(nèi)沒有獲得效率提高的效果，但從文獻內(nèi)容看，估計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烈，而且小流量時，尾跡處于吸力面，設(shè)計流量時，尾跡處于吸力面和輪蓋交界處。為了提高設(shè)計和小流量離心通風(fēng)機效率， 2008 年，田華等人提出了葉片開縫技術(shù) [22] ，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，整個流道速度和葉輪內(nèi)部相對速度分布更加均勻，且大絕對速度明顯減小的結(jié)果。這種方法改善了葉輪內(nèi)部流場的流動狀況，達到了提高離心葉輪性能和整機性能的效果，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)機輪蓋上靠近葉片吸力面處開孔的方法 [23] ，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 , 常發(fā)生的離心葉輪的積灰問題。通過對離心風(fēng)機整機的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn) 輪蓋開孔后，在設(shè)計點附近的風(fēng)機壓力提高了約 2 %，效率提高了 1 %以上，小流量時壓力提高了 1.5 %，效率提高了 2.1 %。在設(shè)計流量和小流量時，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，減小低速區(qū)域，降低葉輪出口處的高速度和速度梯度，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)計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能，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。
3 結(jié)論
綜上所述 , 近年來 對離心 通 風(fēng)機葉輪內(nèi)部流動的研究取得了明顯進展 , 有些研究成果已經(jīng)應(yīng)用到實際設(shè)計中，并獲得令人滿意的結(jié)果。目前 , 對離心通風(fēng)機葉輪內(nèi)部流動的研究仍是比較活躍的研究領(lǐng)域之一 ，筆者認(rèn)為可在如下方面進行進一步研究：
( 1 )如何將近似模型方法在通風(fēng)機方面的應(yīng)用進行更深入的研究，結(jié)合已有的葉片設(shè)計技術(shù)，探索更加高效快速的優(yōu)化設(shè)計方法;
( 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)機葉輪的性能，提高離心風(fēng)機的效率;
( 3 )考慮非定常特性的設(shè)計方法研究。目前，研究離心 通 風(fēng)機葉輪內(nèi)部的流動均仍以定常計算為主，隨著動態(tài)試驗和數(shù)值模擬的發(fā)展 , 人們對于葉輪機械內(nèi)部流動的非定常現(xiàn)象及其機理將越來越清楚 , 將非定常的研究成果應(yīng)用于設(shè)計工作中是非常重要的方面。
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