離心通風機葉輪的設計方法

　　如何設計高能、工藝簡單的離心通風機一直是科研人員研究的主要問題， 設計高能葉輪葉片是解決(jue) 這一問題的主要途徑。

　　葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內(nei) 部流動的好壞直接決(jue) 定著整機的性能和效率。因此國內(nei) 外學者為(wei) 了了解葉輪內(nei) 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(wei) 了設計出高能的離心葉輪 , 科研工作者們(men) 從(cong) 各種角度來研究氣體(ti) 在葉輪內(nei) 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，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(ge) 關(guan) 鍵截麵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(ge) 關(guan) 鍵截麵的平均速度計算，確定離心葉輪和蝸殼的關(guan) 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(feng) 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(wei) 了改進，研究人員對葉輪輪蓋的子午麵型線采用過流斷麵的概念進行設計 ，如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為(wei) 兩(liang) 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，很難用於(yu) 大型風機和非標風機的生產(chan) 。另外一個(ge) 重要方麵就是改進葉片設計，對於(yu) 二元葉片的改進方法主要為(wei) 采用等減速方法和等擴張度方法等，還有 采用給定葉輪內(nei) 相對速度 W 沿平均流線m 分布的方法。 等減速方法 從(cong) 損失的角度考慮， 氣流相對速度在葉輪流道內(nei) 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(wei) 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(nei) 相對速度 W 沿平均流線 m 的分布是通過控製相對平均流速沿流線 m 的變化規律，通過簡單幾何關(guan) 係，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，可以采用更加複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, 建立了一種采用流線曲率法在葉輪流道的子午麵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 , 並已經取得了顯著效果。但是此方法中決(jue) 定葉輪設計成功與(yu) 否的關(guan) 鍵 , 即如何給出子午流麵上葉片渦的合理分布。這一方麵需要具有較豐(feng) 富的設計經驗；另一方麵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。對於(yu) 整個(ge) 子午麵上可控渦的確定，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(ge) 子午麵上的分布 ，也可以通過經驗公式確定可控渦的分布，也有利用給定葉片載荷法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，對於(yu) 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(nei) 部流動的結構是更複雜的三維流動。因此，如何利用三維流場計算方法進一步來設計高能二元離心葉輪是提高離心通風機設計技術的關(guan) 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(you) 化方法尋優(you) 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於(yu) 葉輪機械氣動優(you) 化設計方麵 , 國內(nei) 外研究者們(men) 已經做了相當一部分工作, 其中以響應麵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於(yu) 多學科、多工況的優(you) 化問題 , 並用較少的設計參數覆蓋更大的實際設計空間 , 是一個(ge) 重要的課題。

　　2007 年，席光等提出了近似模型方法在葉輪機械氣動優(you) 化設計中的應用。近似模型的建立過程主要包括：（ 1 ）選擇試驗設計方法並布置樣本點 , 在樣本點上產(chan) 生設計變量和設計目標對應的樣本數據；（ 2 ）選擇模型函數來表示上麵的樣本數據；（ 3 ）選擇某種方法 , 用上麵的模型函數擬合樣本數據，建立近似模型。以上每一步選擇不同的方法或者模型，就相應產(chan) 生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅(jin) 有利於(yu) 更準確地洞察設計量和設計目標之間的關(guan) 係，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函數的計算分析程序，可以為(wei) 工程優(you) 化設計提供快速的空間探測分析工具，降低了計算成本。 在氣動優(you) 化設計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體(ti) 動力學分析 , 可以加速設計過程 , 降低設計成本。基於(yu) 統計學理論提出的近似模型方法，有效地平衡了基於(yu) 計算流體(ti) 動力學分析的葉輪機械氣動優(you) 化設計中計算成本和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將響應麵方法、 Kriging 方法和人工神經網絡技術成功地應用於(yu) 葉輪機械部件的優(you) 化設計中，在離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應用 , 展示了廣闊的工程應用前景。目前，席光課題組已經建立了離心壓縮機部件及水泵葉輪的優(you) 化設計係統，並在工程設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 控製離心葉輪流道的相對平均速度優(you) 化設計方法 ，將近似模型方法較早的應用於(yu) 離心通風機葉輪設計。該方法通過給出 流道內(nei) 氣流 平均速度 沿平均流線的設計分布，設計出一組離心風機參數，根據正交性準則，在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎上，采用正交優(you) 化方法進行優(you) 化組合，並結合基於(yu) 流體(ti) 動力學分析軟件的數值模擬，最終 成功開發了與(yu) 全國推廣產(chan) 品 9-19 同樣設計參數和葉輪大小的離心通風機模型，計算全壓效率提高了 4% 以上 。該方法 簡單易行、合理可靠， 得到了很高的設計開發效率。

　　隨著理論研究的不斷深入和設計方法的不斷提高，對於(yu) 降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施， 提高離心風機效率的研究，將會(hui) 更好的應用於(yu) 工程實際中。