多級離心風機內部流場研究與結構優化（4）

多級離心風機內部流場研究與結構優化

4 第一章  緒論
 
設計技術，探索出更高效快捷的優化設計方法。
（2）如何將串列葉柵、輪蓋開孔和葉片開縫等離心葉輪自適應邊界層控制技術結合起來，在全工況范圍內改善離心風機葉輪的特性，提高其效率。
（3）將非定常特性納入考慮范圍內，研究其設計方法。就目前而言，對風機內部流動的研究還主要停留在定常計算的層面上，但其實質是非定常流動，隨著動態試驗和數值模擬的發展，人們對葉輪內部流動的非定常及其機理將越來越清楚，將非定常的研究成果應用于設計工作中是非常重要的方面。華南理工大學碩士學位論文 的軸向間隙，莊鎮榮的研究表明，該軸向間隙的大小在大流量時對風機的氣動性能影響很大，間隙過大會導致泄露增大，間隙過小在大流量的條件下泄露氣流對主氣流的影響很強，同時會降低葉輪進口段的利用率，因此軸向間隙取為葉輪外徑的 0.02-0.025 倍最為合適。
2、葉輪
葉輪是風機的旋轉部件，對風機中的能量傳遞起著主要的作用。由于葉輪的形狀很復雜，使得葉輪流道的內部流動變成了非常復雜的三維湍流流動。既有二次流，又有射流-尾跡流等現象存在，為了改善風機的內部流動，必須對葉輪葉片進行優化設計，近年來，很多學者都在致力于風機葉輪形狀的研究，取得了較大的成果。
1999 年，清華大學黃東濤等人提出了在離心葉輪設計中采用長短葉片開縫方法，該方法采用串列葉柵技術，綜合了長短葉片和邊界層吹氣兩種技術的優點，利用邊界層吹氣技術抑制邊界層的增長，從而提高效率。該文章指出，該方法可以有效的提高設計和大流量下的風機效率，但對小流量效果不明顯。為了提高設計小流量風機的效率，2008 年，田華等人提出了葉片開縫技術，該技術提出在葉輪輪蓋與葉片之間葉片尾部處開縫，引用葉片壓力面側的高壓氣體吹除吸力面側的低速尾跡流，直接給葉輪內的低速流體提供能量。該方法使得葉片表面分離區域減小，整個流道速度和葉輪內部相對速度分布更加均勻，且最大絕對速度明顯減小
。
同樣在 2008 年，李景銀等人提出了在離心風機輪蓋上靠近葉片吸力面處開孔的方法，利用蝸殼內的高壓氣體產生射流，從而直接給葉輪內的低速或分離流體提供能量，以減弱由葉輪內二次流所導致的射流-尾跡結構。此種方法提高了設計點附近的風壓，明顯改善葉輪出口的分離流動，減少低速區域，提高了風機的效率

另外在 2007 年，劉小民等人采用邊界層主動控制技術在壓縮機的進氣段選擇性的布置渦流發生器，達到改變葉輪進口處流場的目的。在文章中他對渦流發生器應用于離心葉輪內流動控制的效果進行了驗證和研究，他的研究表明，通過這種方法確實可以改善葉輪內部流動，提高葉輪性能。但是該種方法結構復雜，并且需要外加控制設備和能量，不具有經濟性。
綜上所述，近年來對離心風機葉輪內部流動的研究取得了較大進展，有些成果已經應用到實際設計中，獲得了較為滿意的結果。盡管如此，但西安交通大學的田華、李靜銀等人指出對離心風機還可以在以下方面做進一步的研究.
（1）在通風機的應用中如何將近壁模型方法進行更深入的研究，結合已有的葉片數值分析法是借助數值分析軟件來對風機的內部流場進行模擬，通過對模擬結果的分析，找出風機的不足之處在予于改進。Kim采用有限差分和 SIMPLE 算法對葉片擴壓器內的流動進行了數值計算。Dorney等和徐驚雷分采用準三元的方法對離心壓縮機葉輪的流動進行了數值模擬并比較了有粘和無粘流動的結果。Lenke 比較了分別使用低雷諾數κ一ε和代數湍流模型模擬回流器中的流動分別用數值方法模擬了半開式葉輪葉頂間隙處的流動，分析了其對葉輪以及級性能的影響。
由于近年來 CFD 技術的迅速發展，這種方法也得到了廣泛的應用。邵衛、李益民和賈麗紅，用 CFD 軟件 FLUENT，對整個風機蝸殼內部流場進行了三維數值模擬，并對后蓋板在葉輪中心處的傾角進行了改善，使得葉片壓力面的全壓明顯提高，風機的整體性能得到改善。呂峰、牛子寧和李景銀等，對自主開發的 7-40 風機進行了全工況數值模擬，并對大中小 3 種流量下風機蝸殼的內部流場進行了全面研究，分析了蝸殼對葉輪流動的影響。Clayton使用了 CFD 軟件 Star-CD 進行了高速離心壓縮機的湍流模擬。

則采用 RSIMPLEC 算法計算了半開式三元葉輪分別和無葉擴壓器、葉片擴壓器組合的級內的定常和非定常流場。使用 TASCflow 軟件對由帶有分流葉片的葉輪和葉片擴壓器組成的級進行了流動的數值模擬并與實驗結果進行了比較。
     (二）離心風機結構研究現狀
     離心風機主要包括集流器、葉輪、蝸殼三大部件，下面分別介紹這三部分國內外的研究現狀。
1、集流器
研究表明，集流器具有保證氣流均勻地流入葉輪進口截面，以降低流動損失提高葉輪的效率的作用，它的結構型式、位置型式都會對風機的流動特性產生很大的影響。 集流器的結構型式對葉輪的主氣流利用率及蝸殼出口側集流器背部渦流區域有很大影響，他的形狀設計應盡可能與葉輪進口區域的流動狀況相吻合，盡量減小渦流區的范圍，同時還應保證集流器區氣流流動的平穩性。目前常采用的集流器形狀有圓筒形、圓錐形、錐弧形和噴嘴形四種。其中以錐弧形最為常用。但是，在采用錐弧形集流器時，雖然在集流器喉部之前的減縮段的氣流流動一般比較平穩，但是在集流器喉部到葉輪進口的擴散階段氣流脫離壁面容易發生邊界分離，導致損失增加，從而使風機效率降低。林世揚等通過減小漸縮段的錐度、增加喉部半徑等方法，消除了擴散段的邊界層分離，機效率。
集流器的位置型式對風機的內流特性也有很大影響。這主要涉及集流器與葉輪之間.