离心通风机叶轮的设计方法简述

离心通风机叶轮的设计方法简述 如何设计高效、工艺简单的 离心通风机一直是科研人员研究的主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ， 设计高效叶轮叶片是解决这一问题的主要途径。 叶轮是风机的核心气动部件，叶轮内部流诱导风机动的好坏直接决定着整机的性能和效率。因此国内外学者为了了解叶轮内部的真实流动状况，改进叶轮设计以提高叶轮的性能和效率，作了大量的工作。 为了设计出高效的离心叶轮 , 科研工作者们从各种角度来研究气体在叶轮内的流动规律 , 寻求最佳的叶轮设计方法。最早使用的是一元设计方法 [1] ，通过大量的统计数据和一定的理论分析，获得离心通风机各个关键截面气动和结构参数的选择规律。在一元方法使用的初期，可以简单地通过对风机各个关键截面的平均速度计算，确定离心叶轮和蜗壳的关键参数，而且一般叶片型线采用简单的单圆弧成型。这种方法非常粗糙，设计的风机性能需要设计人员有非常丰富的经验，有时可以获得性能不错的风机，但是，大部分情况下，设计的通风机效率低下。为了改进，研究人员对叶轮轮盖的子午面型线采用过流断面的概念进行设计 [2-3] ，如此设计出来的离心叶轮的轮盖为两段或多段圆弧，这种方法设计的叶轮虽然比前一种一元设计方法效率略有提高，但是该方法设计的风机轮盖加工难度大，成本高，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改进叶片设计，对于二元叶片的改进方法主要为采用等减速方法和等扩张度方法等 [4] ，还有 采用给定叶轮内相对速度 W 沿平均流线 m 分布 [5] 的方法。 等减速方法 从损失的角度考虑， 气流相对速度在叶轮流道内的流动过程中以同一速率均匀变化，能减少流动损失， 进而 提高叶轮效率 ；等扩张度方法是为了避免局部地区过大的扩张角而提出的方法。 给定的叶轮内相对速度 W 沿平均流线 m 的分布是柜式风机通过控制相对平均流速沿流线 m 的变化规律，通过简单几何关系，就可以得到叶片型线沿半径的分布。以上方法虽然简单，但也需要比较复杂的数值计算。 随着数值计算以及电子计算机的高速发展，可以采用更加复杂的方法设计离心通风机叶片 。 苗水淼等 运用“全可控涡”概念 [6] , 建立了一种采用流线曲率法在叶轮流道的子午面上进行叶轮设计的设计方法 , 该方法目前已经推广至 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 界 , 并已经取得了显著效果 [7] 。但是此方法中决定叶轮设计成功与否的关键 , 即如何给出子午流面上叶片涡的合理分布。这一方面需要具有较丰富的设计经验；另一方面也需要在设计过程中对设计结果不断改进以消防风机符合叶片涡的分布规律 , 以期最终设计出高效率的叶轮机械。对于整个子午面上可控涡的确定，可以采用 rCu 沿轮盘、轮盖的给定，可以通过线性插值的方法确定 rCu 在整个子午面上的分布 [8-9] ，也可以通过经验公式确定可控涡的分布 [10] ，也有 利用给定叶片载荷法 [11] 设计离心通风机的叶片。以上方法都是采用流线曲率法，设计出的是三元离心叶片，对于二元离心通风机叶片还不能直接应用。但数值计算显示，离心通风机的二元叶片内部流动的结构是更复杂的三维流动。因此，如何利用三维流场计算方法进一步来设计高效二元离心叶轮是提高离心通风机设计技术的关键。 随着计算技术的不断发展，三维粘性流场计算获得了非常大的进步，据此，有一些研究者提出了近似模型方法。该方法是 针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题， 应用统计学的方法， 提出的一种 计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的方法。在近似模型方法应用于叶轮机械气动优化设计方面 , 国内外研究者们已经做了相当一部分工作 [12-14] , 其中以响应面和人工神经网络方法应用居多。如何有效地将近似模型方法应用于多学科、多工况的优化问题 , 并用较少的设计参数覆盖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方法在叶轮机械气动优化设计中的应用 [15] 。 近似模型的建立过程主要包括 : （ 1 ）选择试验设计方法并布置样本点 , 在样本点上产生设计变量和设计目标对应的样本数据；（ 2 ）选择模型函数来表示上面的样本数据；（ 3 ）选择某种方法 , 用上面的模型函数拟合样本数据，建立近似模型。以上每一步选择不同的方法或者模型，就相应产生了各种不同的近似模型方法。该方法不仅有利于更准确地洞察设计量和设计目标之间的关系，而且用近似模型来取代计算费时的评估目标函数的计算分析程序，可以为工程优化设计提供快速的空间探测分析工具，降低了计算成本。 在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析 , 可以加速设计过程 , 降低设计成本。基于统计学理论提出的近似模型方法，有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾。该近似模型方法在试验设计方法基础上，将响应面方法、 Kriging 方法和人工神经网络技术成功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得到了成功应用 , 展示了广阔的工程应用前景。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方法的基础上提出了 控制离心叶轮流道的相对平均速度优化设计方法 [16] ，将近似模型方法较早的应用于离心通风机叶轮设计。该方法通过给出 流道内气流 平均速度 沿平均流线的设计分布，设计出一组离心风机参数，根据正交性准则，在充分考虑影响叶轮效率因素的基础上，采用正交优化方法进行优化组合，并结合基于流体动力学分析软件的数值模拟，最终 成功开发了与全国推广产品 9-19 同样设计参数和叶轮大小的离心通风机模型，计算全压效率提高了 4% 以上 。该方法 简单易行、合理可靠， 得到了很高的设计开发效率。 随着理论研究的不断深入和设计方法的不断提高，对于 降低叶轮气动损失、改善叶轮气动性能的措施， 提高离心风机效率的研究，将会更好的应用于工程实际中。 风机节能技术的发展趋势 1.3.1 通风机 通过应用叶轮、蜗壳等元件的研究成果，以及进一步提高制造精度，力求使各种通风机的效率平均提高 5% ～ 10% 。有的离心通风机已采用了三元叶轮，效率提高 10% ；大型离心通风机出现了采用较大直径和较窄宽度叶轮、较高转速的高效结构，其最高效率可达 87% 以上；效率较高的轴流式通风机，最高效率已达 92% 。从而使产品本身就是节能产品。 在运行中的调节节能方面，除了采用较先进的动叶可调、双速电动机、液力耦合器及交流电动机的各种方法调速外，对大型通风机又出现了调速节能的新装置——多级液力变速传动装置 MSVD （ Multi Stage Variable Speed Drive ）。 1.3.2 鼓风机 未来将会大力开展节能型鼓风机的研制工作。如日本对蜗壳及叶轮等通流部分的形状做了适当改进，有效地防止了涡流及流动分离的产生，其绝热效率比原来的鼓风机提高 5% ～ 10% ；瑞士制造的大流量离心式鼓风机，每级均设有进口导叶，其多变效率亦达 82% ；日本制造的多级离心式鼓风机，采用进口导叶连续自动调节后，节能率达 20% ；高速单级离心式鼓风机采用高周速、高压比、半开式径向三元叶轮后，其效率可提高 10% ；还有的在鼓风机主轴的另一端设有尾气透平，回收尾气排放时的膨胀功来达到节能目的。 高炉煤气余压回收透平发电装置（ Top Gas Pressure Recovery Turbine ，简称 TRT 装置），是利用高炉炉顶煤气压力能经透平膨胀做功，驱动发电机的能量回收装置。该装置既节能，又符合环保要求。目前，该装置发展最快、水平最高的是日本。 1.3.3 离心式压缩机 离心式压缩机将会越来越多地采用三元流动叶轮，使效率平均提高 2% ～ 5% 。如美国研制出的管线压缩机的 3 种大流量三元叶轮，叶轮效率可达 94% ～ 95% ；日本的单轴多级离心压缩机的效率水平也进一步提高，其首级的大流量半开式三元叶轮的绝热效率达 94% 。 其调节方式将会更多地采用汽轮机或燃汽轮机驱动，以改变转速来达到节能的目的。 国内在风机节能工作中采取的主要措施 （ 1 ）推广使用高效节能风机。改造低效的旧式风机，开发高效的系列化的节能风机，并在国民经济各个领域推广使用，是风机节能的根本措施。 （ 2 ）更换使用中的旧风机。对使用效率低又没有改造价值的风机，采取逐步淘汰的措施。 （ 3 ）尽可能地采用经济性好的调节方法。 （ 4 ）利用引进技术开发高效节能风机。经过 20 多年的努力，风机制造企业对此已做了大量工作。例如，上海鼓风机厂和沈阳鼓风机厂分别引进了德国 TLT 公司和丹麦诺文科公司的动叶可调轴流通风机技术；成都电力机械厂和沈阳鼓风机厂引进了德国 KKK 公司的静叶可调轴流通风机技术；武汉鼓风机厂引进了日本三菱重工的动叶可调轴流通风机技术；广州风机厂引进了丹麦诺文科通风设备有限公司的轴流和离心通风机技术；石家庄风机厂引进了日本荏原滨田送风机株式会社 NEW3S 4 个系列离心通风机产品技术及加工工艺技术；沈阳鼓风机厂引进了意大利新比隆公司 MCL 、 BCL 、 PCL 3 个系列的离心压缩机及日本日立公司 DH 型离心压缩机技术；陕西鼓风机厂引进了瑞士苏尔寿公司的轴流压缩机技术；长沙鼓风机厂引进了日本大晃机械工业株式会社的罗茨鼓风机技术。 离心风机气动噪声研究方法的分析与建议 1 引言 离心风机的噪声以气动噪声为主，在性质上可以分为离散噪声与宽带噪声。其气动噪声主要由气体与叶轮叶片以及蜗壳的相互作用产生，并通过进、出气通道加以传播。蜗壳内部的三维非稳定流场以及壳体的特殊形状使得对其开展研究变得困难。近年来，国内外专家如： Lowson 、 Wan-Ho Jeon 等都针对离心风机噪声做了很多研究，在发声机理和声源传播、数值模拟、测试技术等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要进一步改进和完善之处。本文综合了近年来国内外大量文献的理论计算和试验研究方法，同时提出了新的建议。 2 理论计算方法 2.1 点源模型 对于风机而言，点源模型是一种十分有用的技术。这种近似的准则是，所要研究的最高频率的波长 λ 应该远大于声源的物理尺寸L。为满足这个准则要求，对发射较高频率噪声的叶片，在应用点源模型时，可将每个相关面积或相关体积视为一个小尺寸的孤立声源，将风机叶片用沿着叶片展长分布的孤立点源的总和来模拟。目前有人研究了自由声场旋转点声源的声学特性;Lowson 通过波动方程推导出了运动点源产生的声场公式，该公式适合于叶片上的每个微元体，然后对叶片上的所有微元求积分就可以求出叶片运动产生的声场。但拟定叶片微元的点源尺寸是一个难题，而且一般来说风机叶片都不是直叶片，甚至在空间有很大扭曲，用点源模型进行模拟容易产生较大误差。另外，上述研究针对的是自由声场，而离心风机必须考虑蜗壳的影响。 2.2 蜗舌的尖劈模拟 静止平板尾缘紊流边界层声发射的理论计算公式早已得出，但用于叶轮机械噪声还需进一步改进。陆桂林考虑了叶片旋转对声发射的影响，并结合有关试验资料，引入叶片几何参数的组合关系式，推导出了一个有 个叶片的离心风机叶轮叶片尾缘紊流边界层声发射计算公式。这些都是在无蜗壳假定下噪声计算公式的推导。为了模拟有蜗壳存在的情况，Wan-Ho Jeon 在叶轮附近放置一个尖劈模拟蜗舌，以它来作为产生离散噪声的声源,如图1所示。 通过此模型计算出流场，然后用非定常的伯努利方程计算出作用在叶片微元上所受的力， 最后利用 Lowson 导出的任意运动点源的声场公式计算声压：   运用该模型进行风机噪声的数值模拟可以得到很多有价值的数值计算结果，改变其中一些参数，如叶片数，叶轮旋转速度和叶轮与尖劈之间的间隙等来重新进行计算，并加以比较可以分析叶片通过频率噪声的影响因素，对离心风机的降噪有指导意义，尤其是对分析离散噪声的成因及其降噪方法有着比较重要的作用。但是它只能模拟风机的基频噪声，且仍没有考虑完整蜗壳的存在。 [next] 2.3 基于宽频噪声的模拟 宽频噪声也称作涡流噪声，它主要取决于对应的流场。至今尚未看到与离心风机蜗壳内部完整流场所对应的声场解，所以涡流噪声很多都还是实验研究或者理论上的定性分析。