如何提高離心通風機葉輪的性能（一）

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　　離心式通風機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應用于國民經濟各個部門 , 是主要的耗能機械之一，也是節能減排的一個重要研究領域。 研究過程表明 ： 提高離心通風機葉輪設計水平 , 是 提高離心通風機效率、擴大其工況范圍的關鍵。本文將從離心通風機葉輪的設計和利用 邊界層控制技術提高離心通風機葉輪性能這 兩個方面，對近年來提出的 提高離心通風機性能的方法和途徑 的研究進行歸納分析。
　　離心通風機葉輪的設計方法簡述
　　如何設計高效、工藝簡單的 離心通風機一直是科研人員研究的主要問題， 設計高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。
　　葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內部流動的好壞直接決定著整機的性能和效率。因此國內外學者為了了解葉輪內部的真實流動狀況，改進葉輪設計以提高葉輪的性能和效率，作了大量的工作。
　　為了設計出高效的離心葉輪 , 科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內的流動規律 , 尋求最佳的葉輪設計方法。最早使用的是一元設計方法 [1] ，通過大量的統計數據和一定的理論分析，獲得離心通風機各個關鍵截面氣動和結構參數的選擇規律。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風機各個關鍵截面的平均速度計算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數，而且一般葉片型線采用簡單的單圓弧成型。這種方法非常粗糙，設計的風機性能需要設計人員有非常豐富的經驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但是，大部分情況下，設計的通風機效率低下。為了改進，研究人員對葉輪輪蓋的子午面型線采用過流斷面的概念進行設計 [2-3] ，如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設計的葉輪雖然比前一種一元設計方法效率略有提高，但是該方法設計的風機輪蓋加工難度大，成本高，很難用于大型風機和非標風機的生產。另外一個重要方面就是改進葉片設計，對于二元葉片的改進方法主要為采用等減速方法和等擴張度方法等 [4] ，還有 采用給定葉輪內相對速度 W 沿平均流線m 分布 [5] 的方法。 等減速方法 從損失的角度考慮， 氣流相對速度在葉輪流道內的流動過程中以同一速率均勻變化，能減少流動損失， 進而 提高葉輪效率 ；等擴張度方法是為了避免局部地區過大的擴張角而提出的方法。 給定的葉輪內相對速度 W 沿平均流線 m 的分布是通過控制相對平均流速沿流線 m 的變化規律，通過簡單幾何關系，就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單，但也需要比較復雜的數值計算。
　　隨著數值計算以及電子計算機的高速發展，可以采用更加復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] , 建立了一種采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 , 并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。對于整個子午面上可控渦的確定，可以采用 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。以上方法都是采用流線曲率法，設計出的是三元離心葉片，對于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復雜的三維流動。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 針對在工程中完全采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于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絡方法應用居多。如何有效地將近似模型方法應用于多學科、多工況的優化問題 , 并用較少的設計參數覆蓋更大的實際設計空間 , 是一個重要的課題。