離心通風機葉輪的設計方法簡述

2021-03-04 09:44:41 字數 4483 閱讀 8403

隨著數值計算以及電子計算機的高速發展,可以採用更加複雜的方法設計離心通風機葉片 。 苗水淼等運用「全可控渦」概念 [6] , 建立了一種採用流線曲率法在葉輪流道的子午面上進行葉輪設計的設計方法 , 該方法目前已經推廣至工程界 , 並已經取得了顯著效果 [7] 。但是此方法中決定葉輪設計成功與否的關鍵 , 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計經驗;另一方面也需要在設計過程中對設計結果不斷改進以消防風機符合葉片渦的分布規律 , 以期最終設計出高效率的葉輪機械。對於整個子午面上可控渦的確定,可以採用 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] 設計離心通風機的葉片。以上方法都是採用流線曲率法,設計出的是三元離心葉片,對於二元離心通風機葉片還不能直接應用。

但數值計算顯示,離心通風機的二元葉片內部流動的結構是更複雜的三維流動。因此,如何利用三維流場計算方法進一步來設計高效二元離心葉輪是提高離心通風機設計技術的關鍵。

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採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於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路方法應用居多。

如何有效地將近似模型方法應用於多學科、多工況的優化問題 , 並用較少的設計引數覆蓋更大的實際設計空間 , 是乙個重要的課題。

2007 年,席光等提出了近似模型方法在葉輪機械氣動優化設計中的應用 [15] 。 近似模型的建立過程主要包括 : ( 1 )選擇試驗設計方法並布置樣本點 , 在樣本點上產生設計變數和設計目標對應的樣本資料;( 2 )選擇模型函式來表示上面的樣本資料;( 3 )選擇某種方法 , 用上面的模型函式擬合樣本資料,建立近似模型。

以上每一步選擇不同的方法或者模型,就相應產生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利於更準確地洞察設計量和設計目標之間的關係,而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函式的計算分析程式,可以為工程優化設計提供快速的空間探測分析工具,降低了計算成本。 在氣動優化設計過程中,用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學分析 , 可以加速設計過程 , 降低設計成本。

基於統計學理論提出的近似模型方法,有效地平衡了基於計算流體動力學分析的葉輪機械氣動優化設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計方法基礎上,將響應面方法、 kriging 方法和人工神經網路技術成功地應用於葉輪機械部件的優化設計中,在離心壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流幫浦葉輪設計等問題中得到了成功應用 , 展示了廣闊的工程應用前景。目前,席光課題組已經建立了離心壓縮機部件及水幫浦葉輪的優化設計系統,並在工程設計中發揮了重要作用。

2008 年,李景銀等在近似模型方法的基礎上提出了控制離心葉輪流道的相對平均速度優化設計方法 [16] ,將近似模型方法較早的應用於離心通風機葉輪設計。該方法通過給出流道內氣流平均速度沿平均流線的設計分布,設計出一組離心風機引數,根據正交性準則,在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎上,採用正交優化方法進行優化組合,並結合基於流體動力學分析軟體的數值模擬,最終成功開發了與全國推廣產品 9-19 同樣設計引數和葉**小的離心通風機模型,計算全壓效率提高了 4% 以上 。該方法簡單易行、合理可靠, 得到了很高的設計開發效率。

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

1.3.1 通風機

通過應用葉輪、蝸殼等元件的研究成果,以及進一步提高製造精度,力求使各種通風機的效率平均提高 5% ~ 10% 。有的離心通風機已採用了三元葉輪,效率提高 10% ;大型離心通風機出現了採用較大直徑和較窄寬度葉輪、較高轉速的高效結構,其最高效率可達 87% 以上;效率較高的軸流式通風機,最高效率已達 92% 。從而使產品本身就是節能產品。

在執行中的調節節能方面,除了採用較先進的動葉可調、雙速電動機、液力耦合器及交流電動機的各種方法調速外,對大型通風機又出現了調速節能的新裝置——多級液力變速傳動裝置 msvd ( multi stage variable speed drive )。

1.3.2 鼓風機

未來將會大力開展節能型鼓風機的研製工作。如日本對蝸殼及葉輪等通流部分的形狀做了適當改進,有效地防止了渦流及流動分離的產生,其絕熱效率比原來的鼓風機提高 5% ~ 10% ;瑞士製造的大流量離心式鼓風機,每級均設有進口導葉,其多變效率亦達 82% ;日本製造的多級離心式鼓風機,採用進口導葉連續自動調節後,節能率達 20% ;高速單級離心式鼓風機採用高週速、高壓比、半開式徑向三元葉輪後,其效率可提高 10% ;還有的在鼓風機主軸的另一端設有尾氣透平,**尾氣排放時的膨脹功來達到節能目的。

高爐煤氣餘壓**透平發電裝置( top gas pressure recovery turbine ,簡稱 trt 裝置),是利用高爐爐頂煤氣壓力能經透平膨脹做功,驅動發電機的能量**裝置。該裝置既節能,又符合環保要求。目前,該裝置發展最快、水平最高的是日本。

1.3.3 離心式壓縮機

離心式壓縮機將會越來越多地採用三元流動葉輪,使效率平均提高 2% ~ 5% 。如美國研製出的管線壓縮機的 3 種大流量三元葉輪,葉輪效率可達 94% ~ 95% ;日本的單軸多級離心壓縮機的效率水平也進一步提高,其首級的大流量半開式三元葉輪的絕熱效率達 94% 。

其調節方式將會更多地採用汽輪機或燃汽輪機驅動,以改變轉速來達到節能的目的。

( 1 )推廣使用高效節能風機。改造低效的舊式風機,開發高效的系列化的節能風機,並在國民經濟各個領域推廣使用,是風機節能的根本措施。

( 2 )更換使用中的舊風機。對使用效率低又沒有改造價值的風機,採取逐步淘汰的措施。

( 3 )盡可能地採用經濟性好的調節方法。

( 4 )利用引進技術開發高效節能風機。經過 20 多年的努力,風機製造企業對此已做了大量工作。例如,上海鼓風機廠和瀋陽鼓風機廠分別引進了德國 tlt 公司和丹麥諾文科公司的動葉可調軸流通風機技術;成都電力機械廠和瀋陽鼓風機廠引進了德國 kkk 公司的靜葉可調軸流通風機技術;武漢鼓風機廠引進了日本三菱重工的動葉可調軸流通風機技術;廣州風機廠引進了丹麥諾文科通風裝置****的軸流和離心通風機技術;石家莊風機廠引進了日本荏原濱田送風機株式會社 new3s 4 個系列離心通風機產品技術及加工工藝技術;瀋陽鼓風機廠引進了義大利新比隆公司 mcl 、 bcl 、 pcl 3 個系列的離心壓縮機及日本日立公司 dh 型離心壓縮機技術;陝西鼓風機廠引進了瑞士蘇爾壽公司的軸流壓縮機技術;長沙鼓風機廠引進了日本大晃機械工業株式會社的羅茨鼓風機技術。

離心風機氣動雜訊研究方法的分析與建議

1 引言

離心風機的雜訊以氣動雜訊為主,在性質上可以分為離散雜訊與寬頻雜訊。其氣動雜訊主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產生,並通過進、出氣通道加以傳播。蝸殼內部的三維非穩定流場以及殼體的特殊形狀使得對其開展研究變得困難。

近年來,國內外專家如: lowson 、 wan-ho jeon 等都針對離心風機雜訊做了很多研究,在發聲機理和聲源傳播、數值模擬、測試技術等方面都取得了不少突破,但仍有很多需要進一步改進和完善之處。本文綜合了近年來國內外大量文獻的理論計算和試驗研究方法,同時提出了新的建議。

2 理論計算方法

2.1 點源模型

對於風機而言,點源模型是一種十分有用的技術。這種近似的準則是,所要研究的最高頻率的波長 λ 應該遠大於聲源的物理尺寸l。為滿足這個準則要求,對發射較高頻率雜訊的葉片,在應用點源模型時,可將每個相關面積或相關體積視為乙個小尺寸的孤立聲源,將風機葉片用沿著葉片展長分布的孤立點源的總和來模擬。

目前有人研究了自由聲場旋轉點聲源的聲學特性;lowson 通過波動方程推導出了運動點源產生的聲場公式,該公式適合於葉片上的每個微元體,然後對葉片上的所有微元求積分就可以求出葉片運動產生的聲場。但擬定葉片微元的點源尺寸是乙個難題,而且一般來說風機葉片都不是直葉片,甚至在空間有很大扭曲,用點源模型進行模擬容易產生較大誤差。另外,上述研究針對的是自由聲場,而離心風機必須考慮蝸殼的影響。

2.2 蝸舌的尖劈模擬

靜止平板尾緣紊流邊界層聲發射的理論計算公式早已得出,但用於葉輪機械雜訊還需進一步改進。陸桂林考慮了葉片旋轉對聲發射的影響,並結合有關試驗資料,引入葉片幾何引數的組合關係式,推導出了乙個有個葉片的離心風機葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發射計算公式。這些都是在無蝸殼假定下雜訊計算公式的推導。

為了模擬有蝸殼存在的情況,wan-ho jeon 在葉輪附近放置乙個尖劈模擬蝸舌,以它來作為產生離散雜訊的聲源,如圖1所示。

通過此模型計算出流場,然後用非定常的伯努利方程計算出作用在葉片微元上所受的力, 最後利用 lowson 匯出的任意運動點源的聲場公式計算聲壓:   運用該模型進行風機雜訊的數值模擬可以得到很多有價值的數值計算結果,改變其中一些引數,如葉片數,葉輪旋轉速度和葉輪與尖劈之間的間隙等來重新進行計算,並加以比較可以分析葉片通過頻率雜訊的影響因素,對離心風機的降噪有指導意義,尤其是對分析離散雜訊的成因及其降噪方法有著比較重要的作用。但是它只能模擬風機的基頻雜訊,且仍沒有考慮完整蝸殼的存在。

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2.3 基於寬頻雜訊的模擬

寬頻雜訊也稱作渦流雜訊,它主要取決於對應的流場。至今尚未看到與離心風機蝸殼內部完整流場所對應的聲場解,所以渦流雜訊很多都還是實驗研究或者理論上的定性分析。

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