云南可控减速法设计离心风机两元叶片的研究

文章出处:本站    人气:23858    发表时间:2022-12-28 10:06:43

尽管人们对离心压缩机三元叶片的设计方法进行了大量的研究1但对大型工业离心风机使用的两元叶片的设计研究很少。离心风机两元叶片的设计方法大致有以下几种:①最传统的按圆弧几何成型,该方法叶轮效率偏低;②给定叶轮内相对平均速度的分布规律,如采用等减速或等扩张角度的方法1341,或直接给定平均速度沿流道的分布,然后进行叶片载荷分析151,这类方法需要进行风机性能测试或三维流场计算然后进行性能或流场分析对比并反复调整经验设计参数以提高风机效率;③采用给定角动量的设计方法16,这与压缩机叶轮设计方法111一样,但只给中间流线加载,并且结合了边界层计算,设计方法比较复杂。
近年来采用试验设计和三维流场数值计算然后优选或构造回归函数优化的方法成为叶轮机械设计的一个研究热点171.本文提出在离心风机叶道内采用可控减速设计方法,通过正交试验设计,优化确定叶道内气流平均速度的减速规律,从而设计高效的离心风机两元叶轮,并以9-19型离心风机为例进行了设计方法的研究。
9-9离心风机是国内推广的高压小流量风机的典型代表,得到了广泛的应用。本文按6号风机模化设计,确定单级单进气风机设计工况流量为2900r/min.为了对比,本文仅重新设计9 -9风机叶片,而保持叶轮的轮盖、轮盘型线不变。首先,假设流道内气流的平均相对速度变化率沿半径的分布为二次多项式,即后,由Cr=wsinP可得到叶片角度P沿半径r的分布,由叶片内径或外径沿流线积分就可得到叶片型线。
2正交优化及设计结果bookmark2正交试验设计具有均匀分布、整齐可比的优点。
本文采用常见的正交试验表见表1,对本文的3个因素进行优化设计。如果采用完全析因设计,需要27次计算而采用正交试验设计,只计算9次就可以得到所有结果中前3名的设计结果。
根据经验和对流道内气流的相对速度变化规律的分析,确定中系数A、B、C的变化范围如下:因素A,因素B,因素C.对3个因素各取3个水平,将其代入正交表1.可调变量;为叶轮半径。因为在叶片中间区域,叶片控制流动分离的能力强,流动效果好,因此应采用较大的减速和扩压度,也即式⑴的减速规律的系数C应该取较小值。
由于叶道中间流线m与叶轮半径r及径向气流速度Cr与相对气流角卩有如下关系所以,式⑴可以进一步变化为表1正交数值试验表己知叶轮过水断面宽度//(r)和叶片阻塞系数T由的等减速方法可知由此可得可控减速法的叶道内相对速度分布为对表1中的9组设计参数所有进行了叶片造型和相应的风机整机全三维数值模拟计算,由此得到效率头等的设计结果。所得到的/'(r)曲线如所示,该曲线因素C为2 6即最小值。为原始9- 19风机的叶片型线与正交优化设计确定的风机叶片型线的对比图。
优化后的气流减速函数/分布9-19风机与优化设计风机的叶片型线对比优化前后的风机性能和流场对比分析31网格分布以及数值计算模型本文采用fluent软件进行三维数值模拟计算。
计算所有采用结构化六面体网格,进气段网格数约15万,叶轮网格数约50万,蜗壳网格约40万,并进行了网格无关性计算,当网格总数达到157万时,计算的效率和全压变化均小于0 1%可认为达到了网格无关性的要求。同样的计算网格和计算模型曾用于自主开发的、具有准确性能测试结果的离心风机的性能和流场计算风机的性能计算精度完全令人满意8.计算模型采用三维N-S方程和RNGkre湍流模型。控制方程采用隐式分离方法求解,压力修正采用SIMPLEC算法。优良边界条件为速度优良,出口静压边界为标准大气压,壁面采用无滑移条件,动静边界采用MRF模型。
32优化设计风机与原9-19风机的全工况特性对比从非常明显地看出,优化设计风机的效率在大部分工况下都明显高于原9-19风机,其中设计流量时,全压效率由原来的80 1%提高到848%效率提高达47%,小流量时全压效率由原来的768%提高到804%.另外,设计点风机全压提高了35%,小流量时风机全压提高3%,但在大流量时,设计风机的压力低于原风机。这主要是因为原>19风机采用了15%的旋转扩压器,而优化设计的风机大了叶片直径,只保留了较小的旋转扩压器,从而可以采用后向叶片,这样设计风机就具有后向叶片的特性。尽管大流量时压力下降,但避免了大流量时的前向叶片风机过载特性所导致的烧毁电机的问题。从计算的功率曲线看,优化设计的风机确实具有不过载特性。由于通过正交优化设计的风机在设计点效率己经达到84 8%令人满意,而且压力也与气动设计要求差别不大,所以就没有再进行响应面函数的构造和点的进一步选择。
3优化设计风机与原9-19风机流场对比分析为设计工况下2个风机叶轮跨盘盖中心回转面上的静压系数等值线图,其中静压系数定义为也= psF/Pu2,其中psF是当地静压升,U是叶片直径600mm处的周向速度。由图可以看到,优化设计风机的静压加比9-19风机要均匀得多。另外,对设计流量下2种风机流场的涡量、速度、压力分布等流动参数也进行了对比分析,优化的风机各种流场都明显改善。
4结论初步性能试验结果表明,本文采用可控减速正交优化设计的风机,其压力和效率的改善与数值实验对比结果一致,因此可以得到如下结论。
OSH9风机(b)优化设计风机设计工况时风机叶轮跨盘盖中心回转面上静压分布图相比原9-19风机,采用可控减速正交优化设计的风机,流场分布大大改善,其流道内静压加沿流线更加均匀,而且消除了叶轮出口流动分离,同时流道中的涡量也明显减小。
本文提出的可控变减速法正交优化设计两元离心风机叶片的方法,所开发的叶轮效率高,设计速度快,是行之有效的两元离心风机叶片设计的新方法。



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