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改善離心通風機內葉輪流動的方法
发布者:handler 发布日期:2017-04-24

    葉輪是離心風機的心髒,離心風機葉輪的內部流動是一個非常複雜的逆壓過程,葉輪的高速旋轉和葉道複雜幾何形狀都使其內部流動變成了非常複雜的三維湍流流動。由于壓差,葉片通道內一般會存在葉片壓力面向吸力面的二次流動,同時由于氣流90°轉彎,導致輪盤壓力大于輪蓋壓力也形成了二次流,這一般會導致葉輪的輪蓋和葉片吸力面區域出現低速區甚至分離,形成射流—尾迹結構。由于射流—尾迹結構的存在,導致離心風機效率下降,噪聲增大。爲了改善離心葉輪內部的流動狀況,提高葉輪效率,一個重要的研究方向就是采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能,這也是近年的熱點研究方向。


     2007年,刘小民等人采用边界层主动控制技术在压缩机进气段选择性布置涡流发生器,从而改变叶轮进口处流场, 通过数值计算对不同配置参数下离心压缩机性能进行对比分析。该文章对涡流发生器应用于离心叶轮内流动控制的效果进行了初步的验证和研究, 通过数值分析表明这种方法确实可以改善叶轮内部流动, 达到提高叶轮性能的效果。但是该主动控制技术结构复杂,而且需要外加控制设备和能量,对要求经济耐用的离心通风机产品不具有竞争力。


     采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能的另外一種方法就是采用自適應邊界層控制技術。1999年,黃東濤等人提出了離心通風機葉輪設計中采用長短葉片開縫方法,該方法采用的串列葉柵技術,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,提高效率,而且試驗結果表明,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。用此思想解決了離心葉輪內部積灰的問題。雖然串列葉柵技術在離心壓縮機葉輪內沒有獲得效率提高的效果,但從文獻內容看,估計是由于該文作者主要研究的是串聯葉片的相位效應,而沒有研究串聯葉片的徑向位置的變化影響導致的。


     理論和試驗都表明,離心葉輪的射流尾迹結構隨著流量減小更加強烈,而且小流量時,尾迹處于吸力面,設計流量時,尾迹處于吸力面和輪蓋交界處。爲了提高設計和小流量離心通風機效率,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迹區,直接給葉輪內的低速流體提供能量。最終得到在設計流量和小流量情況下,葉輪開縫後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的結果。這種方法改善了葉輪內部流場的流動狀況,達到了提高離心葉輪性能和整機性能的效果,而且所形成的射流可以吹除葉片吸力面的積灰,有利于葉輪在氣固兩相流中工作。


     2008年,李景銀等人提出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産生射流,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-尾迹結構,並可用于消除或解決部分負荷時,常發生的離心葉輪的積灰問題。通過對離心風機整機的數值試驗,發現輪蓋開孔後,在設計點附近的風機壓力提高了約2%,效率提高了1%以上,小流量時壓力提高了1.5%,效率提高了2.1%。在設計流量和小流量時,由于輪蓋開孔形成的射流,可以明顯改善葉輪出口的分離流動,減小低速區域,降低葉輪出口處的最高速度和速度梯度,從而減弱了離心葉輪出口處的射流—尾迹結構。此外,沿葉片表面流動分離區域減小,壓力增加更有規律。輪蓋開孔方法可以提高設計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能,如果結合離心葉輪串列葉柵自適應邊界層控制技術,有可能全面提高離心葉輪性能。


     結論 
    综上所述, 近年来对离心通风机叶轮内部流动的研究取得了明显进展, 有些研究成果已经应用到实际设计中,并获得令人满意的结果。目前, 对离心通风机叶轮内部流动的研究仍是比较活跃的研究领域之一,可在如下方面进行进一步研究:
(1)如何將近似模型方法在通風機方面的應用進行更深入的研究,結合已有的葉片設計技術,探索更加高效快速的優化設計方法;
(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,在全工況範圍內改善離心通風機葉輪的性能,提高離心風機的效率;
(3)考虑非定常特性的设计方法研究。目前,研究离心通风机叶轮内部的流动均仍以定常计算为主,随着动态试验和数值D獾发展, 人们对于叶轮机械诓苛鞫非定常现象及其机理将越来越清楚, 将非定常的研究成果应用于设计工作中是非常重要的方面。

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