如何提高離心通風機的葉輪(一)

離心式通風機作為流體機械的一種重要類型,廣泛應用于國民經濟各個部門 , 是主要的耗能機械之一,也是節能減排的一個重要研究領域。 研究過程表明 : 提高離心通風機葉輪設計水平 , 是 提高離心通風機效率、擴大其工況范圍的關鍵。本文將從離心通風機葉輪的設計和利用 邊界層控制技術提高離心通風機葉輪性能這 兩個方面,對近年來提出的 提高離心通風機性能的方法和途徑 的研究進行歸納分析。

1  離心通風機葉輪的設計方法簡述

如何設計高效、工藝簡單的 離心通風機一直是科研人員研究的主要問題, 設計高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。

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葉輪是風機的核心氣動部件,葉輪內部流動的好壞直接決定著整機的性能和效率。因此國內外學者為了了解葉輪內部的真實流動狀況,改進葉輪設計以提高葉輪的性能和效率,作了大量的工作。

為了設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的流動規律 , 尋求最佳的葉輪設計方法。最早使用的是一元設計方法 [1] ,通過大量的統計數據和一定的理論分析,獲得離心通風機各個關鍵截面氣動和結構參數的選擇規律。在一元方法使用的初期,可以簡單地通過對風機各個關鍵截面的平均速度計算,確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數,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,設計的風機性能需要設計人員有非常豐富的經驗,有時可以獲得性能不錯的風機,但是,大部分情況下,設計的通風機效率低下。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計[2-3] ,如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧,這種方法設計的葉輪雖然比前一種一元設計方法效率略有提高,但是該方法設計的風機輪蓋加工難度大,成本高,很難用于大型風機和非標風機的生產。另外一個重要方面就是改進葉片設計,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過大的擴張角而提出的方法。 給定的葉輪內相對速度 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 的變化規律,通過簡單幾何關系,就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單,但也需要比較復雜的數值計算。

隨著計算技術的不斷發展,三維粘性流場計算獲得了非常大的進步,據此,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化方法尋優時計算量過大的問題, 應用統計學的方法, 提出的一種 計算量小、在一定程度上可以保證設計準確性的方法。在近似模型方法應用于葉輪機械氣動優化設計方面 , 國內外研究者們已經做了相當一部分工作 [12-14] , 其中以響應面和人工神經網絡方法應用居多。如何有效地將近似模型方法應用于多學科、多工況的優化問題 , 并用較少的設計參數覆蓋更大的實際設計空間 , 是一個重要的課題。

隨著理論研究的不斷深入和設計方法的不斷提高,對于 降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施, 提高離心風機效率的研究,將會更好的應用于工程實際中。

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