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如何提高离心通风机叶轮性能?
  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门, 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。研究过程表明:提高离心通风机叶轮设计水平,是提高离心通风机效率、扩大其工况范围的关键。本文将从离心通风机叶轮的设计和利用边界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方法和途径的研究进行归纳分析。
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,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。
   改善离心通风机内叶轮流动的方法
   叶轮是离心风机的心脏,离心风机叶轮的内部流动是一个非常复杂的逆压过程,叶轮的高速旋转和叶道复杂几何形状都使其内部流动变成了非常复杂的三维湍流流动。由于压差,叶片通道内一般会存在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出现低速区甚至分离,形成射流—尾迹结构[17]。由于射流—尾迹结构的存在,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,一个重要的研究方向就是采用边界层控制方式提高离心叶轮性能,这也是近年的热点研究方向。
    2007年,刘小民等人采用边界层主动控制技术在压缩机进气段选择性布置涡流发生器,从而改变叶轮进口处流场, 通过数值计算对不同配置参数下离心压缩机性能进行对比分析[18]。该文章对涡流发生器应用于离心叶轮内流动控制的效果进行了初步的验证和研究, 通过数值分析表明这种方法确实可以改善叶轮内部流动, 达到提高叶轮性能的效果。但是该主动控制技术结构复杂,而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。
    采用边界层控制方式提高离心叶轮性能的另外一种方法就是采用自适应边界层控制技术。1999年,黄东涛等人提出了离心通风机叶轮设计中采用长短叶片开缝方法[19-20],该方法采用的串列叶栅技术,综合了长短叶片和边界层吹气两种技术的优点,利用边界层吹气技术抑制边界层的增长,提高效率,而且试验结果表明[20],该方法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,估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化影响导致的。
   理论和试验都表明,离心叶轮的射流尾迹结构随着流量减小更加强烈,而且小流量时,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。最终得到在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后叶片表面分离区域减小,整个流道速度和叶轮内部相对速度分布更加均匀,且最大绝对速度明显减小的结果。这种方法改善了叶轮内部流场的流动状况,达到了提高离心叶轮性能和整机性能的效果,而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工作。
   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方法[23],利用蜗壳内的高压气体产生射流,从而直接给叶轮内的低速或分离流体提供能量,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,常发生的离心叶轮的积灰问题。通过对离心风机整机的数值试验,发现轮盖开孔后,在设计点附近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分离流动,减小低速区域,降低叶轮出口处的最高速度和速度梯度,从而减弱了离心叶轮出口处的射流—尾迹结构。此外,沿叶片表面流动分离区域减小,压力增加更有规律。轮盖开孔方法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边界层控制技术,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, 有些研究成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)如何将近似模型方法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,探索更加高效快速的优化设计方法;
(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边界层控制技术结合起来,在全工况范围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方法研究。目前,研究离心通风机叶轮内部的流动均仍以定常计算为主,随着动态试验和数值模拟的发展, 人们对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, 将非定常的研究成果应用于设计工作中是非常重要的方面。
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