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如何（hé）提高離心江西（xī）通風機葉輪性（xìng）能？

     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（zhěng）機的性能和效率。因此國內外學者為了了解葉輪內（nèi）部的真實流動（dòng）狀況，改進葉輪設計以提高葉輪的性（xìng）能和效率，作了大量的工作。

     為了設計出離心葉輪, 科研（yán）工作者們從（cóng）各種角度來研究氣體在（zài）葉輪內的流動規律, 尋求較佳的葉輪設計方法（fǎ）。較早使用的是一元設計方法[1]，通過大量的（de）統計（jì）數據和理論分（fèn）析，獲得離心通風機各個關鍵截麵氣動和結構參數的選擇規律。在一元方（fāng）法使用的初期，可以簡單地通過對風機（jī）各個關鍵截麵的平均速度計（jì）算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數，而且一般葉片型（xíng）線采用簡單的單圓弧（hú）成型。這種方法非常粗糙，設計的風機性能需（xū）要設計人員（yuán）有非常豐富的經驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但（dàn）是，大部分情況下，設計的通風機效率（lǜ）低下。為（wéi）了改進，研究人員對葉輪（lún）輪蓋的子午麵型線采（cǎi）用過流斷麵的概念進行設計[2-3] ，如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段（duàn）或多段圓（yuán）弧，這種（zhǒng）方法設計的葉輪雖（suī）然比前一種一元設計方法效率略有提高，但是該方法設（shè）計的風機輪蓋（gài）加工難度大，成本高，很難用（yòng）於大型風機和非標風機的生產。另外一個重要（yào）方麵就是改進葉（yè）片（piàn）設計，對於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（yòng）給定（dìng）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（dòng）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（xiào）率；等擴張度方法是為了避免局部地區過大的擴張角而（ér）提出的方法。給定的葉輪內相對速度W沿（yán）平均流線m的分布是通過控製（zhì）相對平（píng）均流速沿流線m的變化規律，通過簡單幾（jǐ）何關係，就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單（dān），但也需要比較複雜的數值計算。
      隨著數值計算以及電子計算機的高速發展，可以（yǐ）采用加（jiā）複雜的方法設計（jì）離心通風機（jī）葉片。苗水淼等運（yùn）用“全可控（kòng）渦”概念[6],建立（lì）了一種采用流線曲率法在葉輪流道（dào）的子午麵上進行葉輪（lún）設計的設計方法,該（gāi）方法目前已經推廣至工程界,並已經取得（dé）了顯著效果[7]。但是此方法中（zhōng）決定葉輪設計成功與否（fǒu）的關鍵,即如何給出子午流麵上葉片渦的合理分布。這一方麵需要具（jù）有較豐富的設計經驗；另一方麵（miàn）也需要在設計過程中對設（shè）計結果不斷改（gǎi）進以符合葉片渦的分布規律,以期設計出的葉輪機械。對於整個子午麵上可控渦的確定，可以采（cǎi）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（gè）子午麵上的分布[8-9]，也可以通過（guò）經驗公式確定可控渦的分布[10]，也有利用給定（dìng）葉（yè）片載荷法[11]設計離（lí）心通風機的葉片。以上方法都是采用流線曲率法（fǎ），設計出的是三（sān）元離心葉片，對於二元離心通風機葉片還不能直（zhí）接應（yīng）用。但（dàn）數值計算顯示，離心通風機的二元葉片內部流動的結構是複雜的三維流動。因此，如（rú）何利用（yòng）三維流場計算方法進一步來（lái）設計二元離心葉（yè）輪是提高離心通風機設計技術的（de）關鍵。
      隨著計算技（jì）術的不斷發（fā）展，三（sān）維粘性流（liú）場計算獲得了非常大的進步，據此，有一些研究者提（tí）出（chū）了（le）近似模型方法。該方法是針對在（zài）工程中采用隨機類優化方法尋優時計（jì）算量過大的問題，應（yīng）用統計學的方法，提出的一種計算量小、在一些程度上可以設計（jì）準確性的方（fāng）法。在近似模（mó）型方法應用於葉輪機械氣動優化設計方麵,國內外（wài）研究者們已經做了相當一部分工作[12-14] ,其中以響應麵和人（rén）工神經網絡方法（fǎ）應用居多（duō）。如（rú）何有效地將近似模型方法應用於（yú）多學科、多工況的優（yōu）化問題,並（bìng）用較少的設計參數覆蓋（gài）的實際設計空間,是一個重要的課題。
   2007年，席光（guāng）等提出了近似模型方法在葉（yè）輪機械氣動優化設計中的應用[15]。近似模型的建立過程主要包（bāo）括: （1）選擇試驗設計方法並布置樣本點,在樣本點（diǎn）上產生設計變量和設計目（mù）標對應的樣本數據；（2）選擇模型函數來表示上麵的樣本數據；（3）選（xuǎn）擇某種方（fāng）法,用上麵的模型函數擬合樣本數據，建立近似模型。以上每一（yī）步（bù）選擇不同的方（fāng）法（fǎ）或者模型，就相應產（chǎn）生了（le）各（gè）種不同的近似模型方法。該方法不利於（yú）準確地洞察設計量和設計目標之間的關係，而且用近（jìn）似模型（xíng）來取代計算費時的評估目標函數的（de）計算（suàn）分析程序，可以為工程優化設（shè）計提供快速的空間探測分析工具，降低了計算（suàn）成本。在氣動優化設（shè）計過程中，用該模型取代耗時（shí）的（de）高精（jīng）度的計算流體（tǐ）動力學（xué）分析 ,可以加（jiā）速設計過程 ,降低設計成本。基於統計學理（lǐ）論提出的近似模（mó）型方法，有（yǒu）效地平衡了基於計算流體動力學分析的葉輪（lún）機（jī）械氣動優化設計中計算（suàn）成本和計算精度這一對矛盾。該（gāi）近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將（jiāng）響應麵方法、Kriging方法和人工神經網（wǎng）絡技（jì）術成功地應用於（yú）葉輪機械部（bù）件的優化設計中，在離（lí）心壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流泵葉輪設計等問題中得到了成功（gōng）應用,展示了廣闊的工程應用前（qián）景。目前，席光課題組已經建立了離心壓縮機部件及（jí）水泵葉（yè）輪的優化設計係統，並在工程設（shè）計中發揮了重要作用。
   2008年，李景銀等在近似模型方法的基礎上提出了（le）控製離心葉輪流道的相對平均速度優化設計（jì）方法[16]，將近（jìn）似模型方法較早的應用於離心通風機葉輪設計。該方法通過給出流道內氣流平均速度沿平均流線的設（shè）計分布，設計（jì）出一組離心風機參數，根據正交性準則，在充分考慮影（yǐng）響葉輪（lún）效率因素的（de）基礎上，采用正交優化方法（fǎ）進（jìn）行優化組合，並結合基於流體動力學分析軟件的數值模擬，成功開發了（le）與我（wǒ）國推廣產品9-19同樣設計參數和葉輪大小的離心（xīn）通風機模（mó）型（xíng），計算全壓效率提高了4%以上。該方法簡單易行（háng）、合理可靠，得到了很高的設（shè）計開發效率。

   隨著理論研究的不斷深入（rù）和設計方（fāng）法的（de）不斷提高，對（duì）於降（jiàng）低葉輪氣動損（sǔn）失、改良葉輪氣動（dòng）性能的（de）措施，提高離心風機效率的研（yán）究，將（jiāng）會（huì）較（jiào）好的（de）應用於工程實際中。
   改良離心（xīn）通風（fēng）機內葉輪流動的方法
   葉輪是（shì）離心風機的心髒，離心風機葉輪的內（nèi）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（qí）內部流動變成了非常複雜的三維湍流流動。由於壓差，葉片通道內一般會存在葉（yè）片壓力麵向吸力麵的二次流動（dòng），同時由於氣流90°轉彎，導致（zhì）輪盤（pán）壓（yā）力大於輪蓋壓力也形成了二次流，這一般會導致葉輪的輪（lún）蓋和葉片吸力麵區域（yù）出現低速（sù）區（qū）甚至分離，形成射流—尾跡結構[17]。由於射流—尾（wěi）跡結構的（de）存在，導致離（lí）心（xīn）風機效率下降（jiàng），噪聲增大。為了改良離心葉輪內部的流動狀況，提高葉輪效率，一個（gè）重要的研究方向就是采用邊界層控製方（fāng）式提高離心葉輪（lún）性能，這也是（shì）近（jìn）年（nián）的熱（rè）點研究方向。
  2007年，劉小民等人采用邊界層主動控製技術在壓縮機進氣段選擇性布置渦流發生器，從而改變葉輪處流場, 通過（guò）數值計算（suàn）對不同配（pèi）置參數下離心壓縮機性（xìng）能進行對比分析[18]。該文（wén）章對渦流發生器應用於離心葉輪內流動控製的效果（guǒ）進（jìn）行了初步的驗證和研究, 通過（guò）數值分析表明這種方法確實可以改良葉輪內部流（liú）動, 達到提高葉輪性能的效果。但是該主動控製技術結構複雜（zá），而且需要（yào）外加控製設備和能（néng）量，對要求經濟耐用的離心通風機產品不具有競爭力。
    采用邊界（jiè）層控製方（fāng）式提高離心葉（yè）輪性能的（de）另外一種方法就是采用自適應邊（biān）界層控製技術。1999年（nián），黃東濤等人提出（chū）了離（lí）心通風機葉輪設計中采用長（zhǎng）短葉片開縫方法[19-20]，該方法（fǎ）采（cǎi）用的串列葉柵（shān）技術，綜合了長短葉片（piàn）和邊界層吹氣兩種技（jì）術的優（yōu）點，利用邊界層吹氣技術（shù）抑製邊界層的增長，提（tí）率，而且（qiě）試驗結果表（biǎo）明[20]，該方法可以有效的提高（gāo）設計和（hé）大流（liú）量下的風機效率，但對小流量效果不明顯。文（wén）獻[21]用此（cǐ）思想解決了離心葉輪內部積（jī）灰的問題。雖然串（chuàn）列葉柵技術在離心壓縮機葉輪[20]內沒有獲（huò）得效率提高的效果，但從文獻內容看，估計是由於該文作者主要研究的是串聯葉（yè）片（piàn）的相（xiàng）位（wèi）效應，而（ér）沒（méi）有研究串（chuàn）聯葉片的徑向位置（zhì）的（de）變化影響導致的。
    理論和試驗都（dōu）表明，離心葉輪（lún）的射流尾跡結（jié）構隨著流量減小加強烈，而且小流量時，尾跡處於吸力麵（miàn），設（shè）計流量時，尾跡處於吸力麵和輪蓋交界處。為了提高設計（jì）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[22]，該技術提出在葉輪輪蓋與葉片之間葉片尾部處開縫，引用葉片壓力麵側（cè）的高（gāo）壓氣體吹除吸力麵側的低速尾跡區，直接給葉輪內的低速流體提供能量。得到在設計流量和小流量情況下，葉輪開縫後葉（yè）片表麵（miàn）分離區域減小，整個流道速度（dù）和葉輪內部相對速度分布加均（jun1）勻，且較大速度明顯減小的結果。這種方法改良了葉輪內部流場的流動狀況，達到了提高離心葉輪性能和（hé）整機性能的效果（guǒ），而且（qiě）所形成的射流可以吹除葉（yè）片（piàn）吸力麵的積灰，有利於葉輪（lún）在（zài）氣（qì）固兩相流中工作。
   2008年，李景銀等人提（tí）出在離心風機輪蓋上靠近葉片吸力麵處開孔的方法[23]，利用蝸殼內的高壓氣體產生射流，從（cóng）而直接給葉輪（lún）內的低速或分離流體提供能量，以減弱由葉輪內二（èr）次流所導致的射流-尾跡結構，並可用於消除或解決部分負荷時,常（cháng）發生的離心葉輪的（de）積（jī）灰問題。通過對（duì）離心（xīn）風（fēng）機整機的數值試驗，發（fā）現（xiàn）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（gāo）了（le）1.5％，效率提高了2.1％。在設計流量和小流量（liàng）時，由於輪（lún）蓋開孔（kǒng）形成（chéng）的射流，可以明顯改良葉（yè）輪出（chū）口（kǒu）的分離流動，減（jiǎn）小低速區域，降低葉輪（lún）出口處的至（zhì）高速度和速度梯度，從而減弱了離心葉輪出口處的射流—尾跡結構。此外，沿葉片表麵流動分離區域減（jiǎn）小，壓力增加有規律（lǜ）。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（hé）整機性能，如果結合（hé）離心葉輪串列葉柵自適應邊（biān）界（jiè）層控製技術，有（yǒu）可能全麵提高離心葉輪性能。

3  結論
    綜上所述, 近年（nián）來（lái）對離心通風機（jī）葉（yè）輪內部流動的研（yán）究取得（dé）了明顯（xiǎn）進展, 有些研究成（chéng）果已經應用到實際設計中，並獲得令人滿意的結（jié）果。目前, 對離心通風機葉輪內部流動的研究仍是比較活躍（yuè）的研究領域之一，筆者認為可在如下方麵進行進一步研究：
（1）如何將（jiāng）近似模型方法在通風（fēng）機方麵的應用進行深入的研究，結合已有的（de）葉片設計技術，探索加快速的優化設計方法；
（2）如何將串列葉柵、輪蓋開孔（kǒng）和葉片開縫等離（lí）心葉輪自適應邊界層控製技術結合起來，在全工況範圍（wéi）內改（gǎi）良離心通風機葉輪的性能，提高（gāo）離心風機（jī）的效率；
（3）考慮非（fēi）定常特性的設計方法研究。目前，研究離心通風機葉輪內部的流動均仍以定常（cháng）計算為主，隨著動態（tài）試驗和數（shù）值模擬的發展, 人們對於葉輪機械內部流動的非定（dìng）常現象（xiàng）及其機理將越來越清楚, 將非定常的研（yán）究成果應用於（yú）設計工作中是非常重要的方麵。