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可控減速法設計離心風機兩元葉片的研究

文章出處:本站    人氣:11208    發表時間:2022-12-28 10:06:43

盡管人們對離心壓縮機三元葉片的設計方法進行了大量的研究1但對大型工業離心風機使用的兩元葉片的設計研究很少。離心風機兩元葉片的設計方法大致有以下幾種:①最傳統的按圓弧幾何成型,該方法葉輪效率偏低;②給定葉輪內相對平均速度的分布規律,如采用等減速或等擴張角度的方法1341,或直接給定平均速度沿流道的分布,然后進行葉片載荷分析151,這類方法需要進行風機性能測試或三維流場計算然后進行性能或流場分析對比并反復調整經驗設計參數以提高風機效率;③采用給定角動量的設計方法16,這與壓縮機葉輪設計方法111一樣,但只給中間流線加載,并且結合了邊界層計算,設計方法比較復雜。
近年來采用試驗設計和三維流場數值計算然后優選或構造回歸函數優化的方法成為葉輪機械設計的一個研究熱點171.本文提出在離心風機葉道內采用可控減速設計方法,通過正交試驗設計,優化確定葉道內氣流平均速度的減速規律,從而設計高效的離心風機兩元葉輪,并以9-19型離心風機為例進行了設計方法的研究。
9-9離心風機是國內推廣的高壓小流量風機的典型代表,得到了廣泛的應用。本文按6號風機?;O計,確定單級單進氣風機設計工況流量為2900r/min.為了對比,本文僅重新設計9 -9風機葉片,而保持葉輪的輪蓋、輪盤型線不變。首先,假設流道內氣流的平均相對速度變化率沿半徑的分布為二次多項式,即后,由Cr=wsinP可得到葉片角度P沿半徑r的分布,由葉片內徑或外徑沿流線積分就可得到葉片型線。
2正交優化及設計結果bookmark2正交試驗設計具有均勻分布、整齊可比的優點。
本文采用常見的正交試驗表見表1,對本文的3個因素進行優化設計。如果采用完全析因設計,需要27次計算而采用正交試驗設計,只計算9次就可以得到所有結果中前3名的設計結果。
根據經驗和對流道內氣流的相對速度變化規律的分析,確定中系數A、B、C的變化范圍如下:因素A,因素B,因素C.對3個因素各取3個水平,將其代入正交表1.可調變量;為葉輪半徑。因為在葉片中間區域,葉片控制流動分離的能力強,流動效果好,因此應采用較大的減速和擴壓度,也即式⑴的減速規律的系數C應該取較小值。
由于葉道中間流線m與葉輪半徑r及徑向氣流速度Cr與相對氣流角卩有如下關系所以,式⑴可以進一步變化為表1正交數值試驗表己知葉輪過水斷面寬度//(r)和葉片阻塞系數T由的等減速方法可知由此可得可控減速法的葉道內相對速度分布為對表1中的9組設計參數所有進行了葉片造型和相應的風機整機全三維數值模擬計算,由此得到效率頭等的設計結果。所得到的/'(r)曲線如所示,該曲線因素C為2 6即最小值。為原始9- 19風機的葉片型線與正交優化設計確定的風機葉片型線的對比圖。
優化后的氣流減速函數/分布9-19風機與優化設計風機的葉片型線對比優化前后的風機性能和流場對比分析31網格分布以及數值計算模型本文采用fluent軟件進行三維數值模擬計算。
計算所有采用結構化六面體網格,進氣段網格數約15萬,葉輪網格數約50萬,蝸殼網格約40萬,并進行了網格無關性計算,當網格總數達到157萬時,計算的效率和全壓變化均小于0 1%可認為達到了網格無關性的要求。同樣的計算網格和計算模型曾用于自主開發的、具有準確性能測試結果的離心風機的性能和流場計算風機的性能計算精度完全令人滿意8.計算模型采用三維N-S方程和RNGkre湍流模型??刂品匠滩捎秒[式分離方法求解,壓力修正采用SIMPLEC算法。優良邊界條件為速度優良,出口靜壓邊界為標準大氣壓,壁面采用無滑移條件,動靜邊界采用MRF模型。
32優化設計風機與原9-19風機的全工況特性對比從非常明顯地看出,優化設計風機的效率在大部分工況下都明顯高于原9-19風機,其中設計流量時,全壓效率由原來的80 1%提高到848%效率提高達47%,小流量時全壓效率由原來的768%提高到804%.另外,設計點風機全壓提高了35%,小流量時風機全壓提高3%,但在大流量時,設計風機的壓力低于原風機。這主要是因為原>19風機采用了15%的旋轉擴壓器,而優化設計的風機大了葉片直徑,只保留了較小的旋轉擴壓器,從而可以采用后向葉片,這樣設計風機就具有后向葉片的特性。盡管大流量時壓力下降,但避免了大流量時的前向葉片風機過載特性所導致的燒毀電機的問題。從計算的功率曲線看,優化設計的風機確實具有不過載特性。由于通過正交優化設計的風機在設計點效率己經達到84 8%令人滿意,而且壓力也與氣動設計要求差別不大,所以就沒有再進行響應面函數的構造和點的進一步選擇。
3優化設計風機與原9-19風機流場對比分析為設計工況下2個風機葉輪跨盤蓋中心回轉面上的靜壓系數等值線圖,其中靜壓系數定義為也= psF/Pu2,其中psF是當地靜壓升,U是葉片直徑600mm處的周向速度。由圖可以看到,優化設計風機的靜壓加比9-19風機要均勻得多。另外,對設計流量下2種風機流場的渦量、速度、壓力分布等流動參數也進行了對比分析,優化的風機各種流場都明顯改善。
4結論初步性能試驗結果表明,本文采用可控減速正交優化設計的風機,其壓力和效率的改善與數值實驗對比結果一致,因此可以得到如下結論。
OSH9風機(b)優化設計風機設計工況時風機葉輪跨盤蓋中心回轉面上靜壓分布圖相比原9-19風機,采用可控減速正交優化設計的風機,流場分布大大改善,其流道內靜壓加沿流線更加均勻,而且消除了葉輪出口流動分離,同時流道中的渦量也明顯減小。
本文提出的可控變減速法正交優化設計兩元離心風機葉片的方法,所開發的葉輪效率高,設計速度快,是行之有效的兩元離心風機葉片設計的新方法。



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