原風機葉輪模型的建立

根據第四章利用 Fluent 仿真得到的三級離心風機單級葉輪進出口參數作為設計點參數，即流量 Q=2941m3/h，葉輪進出口總壓差為 ?p =0.353bar，轉速 n=4600r/min，流體密度 ? =1.225kg/m3；葉輪的幾何尺寸如下：輪轂直徑 Dn=110mm，葉輪進口寬度b1=48mm，吸力直徑 ds=256mm，葉輪直徑 d2=700mm，出口寬度 b2=22mm。忽略葉片的焊緣，利用 CFturbo 設計出原風機的葉輪模型，步驟如下。
     根據葉輪幾何尺寸得到的風機子午面的形狀如圖 6-2 所示。在原設計中風機的輪盤曲線采用的是簡單的直線加圓弧的型式。最后建立的葉輪模型如圖 6-3 所示，此模型即為原風機各級葉輪的形狀。
葉輪模型設計完后，利用 CFturbo 軟件的預測功能預測原風機單級葉輪在 4600r/min轉速下的能曲線如圖 6-4、圖 6-5、圖 6-6。圖 6-4 所示為葉輪體積流量與進出口壓差關系曲線圖，圖中交叉點為葉輪設計點，該點的數值經過 Fluent 計算求得。從圖 6-5、圖 6-6 可看出，根據原葉輪的實際形狀設計出的葉輪，其進出口壓差、效率的預測值比設計點的數值大，但葉輪實際所需功率也比設計點值大。
6.3 葉輪結構參數優化
分析原風機單級葉輪的性能曲線，建立的優化原則為：保證壓差不低于設計點的值，葉輪效率在設計點之上并相對較高，葉輪制造更簡單或更節約能源。在此原則下，原風機葉輪的主要優化方向是使所需電功率在設計點以下，并盡量使葉輪結構簡單，便于制造。
針對此狀況，本節利用 CFturbo9 平臺對原葉輪參數的改進方案進行了探討，并通過該軟件的預測功能比較改進前后葉輪的整體性能。
6.3.1 葉輪直徑
通過改變葉輪的直徑來研究葉輪直徑對葉輪性能的影響，分析原風機葉輪直徑的優劣。原風機葉輪直徑為 700mm，在此基礎上，增加葉輪直徑為 500mm、600mm、800mm和 900mm 時的性能預測曲線，如圖 6-7、圖 6-8、圖 6-9 所示。觀察圖 6-7 發現，不同直徑的葉輪擁有不同的流量與進出口壓差關系曲線，在同一流量狀態下，直徑越大葉輪壓差越大，且相鄰曲線之間的差值隨葉輪直徑的增大而增大，但只有當直徑在 700mm以上時，壓差才能達到設計點要求。雖然壓差曲線不同，但從圖 6-8、圖 6-9 可知，各直徑下的葉輪流量與內部效率、所需電功率曲線幾乎重合，即葉輪直徑對內部效率、所需電功率的影響不明顯，但直徑的增大會加大對葉輪制造的難度，綜合考慮，在保證葉輪進出口壓差大于或等于設計點壓差的情況下，本文對葉輪優化后的直徑保持 700mm不變。
6.3.2 葉輪葉片數
取葉輪葉片數分別為 12、18、24 及 30，設計葉輪模型，并預測葉輪性能曲線如圖6-10、圖 6-11、圖 6-12 所示。葉輪取不同的葉片數，葉輪進出口壓差與葉輪的效率對應不同的數值，觀察流量壓差曲線發現，葉片數從 12 片增加到 18 片壓差的增量比 18 片增加到 24 片增量大，而從 18 片增加到 24 片的壓差增量又比 24 片增加到 30 片的增量大。其效率曲線亦有類似的規律，且效率變化不大。
從制造難易程度考慮，增加葉片數將大大增加葉輪制造難度且會降低精度，雖然增加葉片數可以提高葉輪的效率，但是從圖 6-11 可看出，當葉片數從 24 片增加到 30 片式，效率只有微小的提高，當葉片數由 24 片減少為 18 片時，效率降低的也很微小，但在 18 片時葉輪所需的電功率在設計點附近，且為最低，如圖 6-12 所示。因此，綜合以上考慮，將原風機葉輪葉片數優化為 18 片。