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改善离心通风机内叶轮流动的方法

浏览:9 发表时间:2019-03-03 17:10:07

 叶轮是离心风机的心脏,离心风机叶轮的内部流动是一个非常复杂的逆压过程,叶轮的高速旋转和叶道复杂几何形状都使其内部流动变成了非常复杂的三维湍流流动。由于压差,叶片通道内一般会存在叶片压力面向吸力面的二次流动,同时由于气流90°转弯,导致轮盘压力大于轮盖压力也形成了二次流,这一般会导致叶轮的轮盖和叶片吸力面区域出现低速区甚至分离,形成射流—尾迹结构。由于射流—尾迹结构的存在,导致离心风机效率下降,噪声增大。为了改善离心叶轮内部的流动状况,提高叶轮效率,一个重要的研究方向就是采用边界层控制方式提高离心叶轮性能,这也是近年的热点研究方向。


     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。


     采用边界层控制方式提高离心叶轮性能的另外一种方法就是采用自适应边界层控制技术。1999年,黄东涛等人提出了离心通风机叶轮设计中采用长短叶片开缝方法,该方法采用的串列叶栅技术,综合了长短叶片和边界层吹气两种技术的优点,利用边界层吹气技术抑制边界层的增长,提高效率,而且试验结果表明,该方法可以有效的提高设计和大流量下的风机效率,但对小流量效果不明显。用此思想解决了离心叶轮内部积灰的问题。虽然串列叶栅技术在离心压缩机叶轮内没有获得效率提高的效果,但从文献内容看,估计是由于该文作者主要研究的是串联叶片的相位效应,而没有研究串联叶片的径向位置的变化影响导致的。


     理论和试验都表明,离心叶轮的射流尾迹结构随着流量减小更加强烈,而且小流量时,尾迹处于吸力面,设计流量时,尾迹处于吸力面和轮盖交界处。为了提高设计和小流量离心通风机效率,2008年,田华等人提出了叶片开缝技术,该技术提出在叶轮轮盖与叶片之间叶片尾部处开缝,引用叶片压力面侧的高压气体吹除吸力面侧的低速尾迹区,直接给叶轮内的低速流体提供能量。最终得到在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后叶片表面分离区域减小,整个流道速度和叶轮内部相对速度分布更加均匀,且最大绝对速度明显减小的结果。这种方法改善了叶轮内部流场的流动状况,达到了提高离心叶轮性能和整机性能的效果,而且所形成的射流可以吹除叶片吸力面的积灰,有利于叶轮在气固两相流中工作。


     2008年,李景银等人提出在离心风机轮盖上靠近叶片吸力面处开孔的方法,利用蜗壳内的高压气体产生射流,从而直接给叶轮内的低速或分离流体提供能量,以减弱由叶轮内二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时,常发生的离心叶轮的积灰问题。通过对离心风机整机的数值试验,发现轮盖开孔后,在设计点附近的风机压力提高了约2%,效率提高了1%以上,小流量时压力提高了1.5%,效率提高了2.1%。在设计流量和小流量时,由于轮盖开孔形成的射流,可以明显改善叶轮出口的分离流动,减小低速区域,降低叶轮出口处的最高速度和速度梯度,从而减弱了离心叶轮出口处的射流—尾迹结构。此外,沿叶片表面流动分离区域减小,压力增加更有规律。轮盖开孔方法可以提高设计流量和小流量下的闭式离心叶轮性能和整机性能,如果结合离心叶轮串列叶栅自适应边界层控制技术,有可能全面提高离心叶轮性能。


     结论 
    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)如何将近似模型方法在通风机方面的应用进行更深入的研究,结合已有的叶片设计技术,探索更加高效快速的优化设计方法;
(2)如何将串列叶栅、轮盖开孔和叶片开缝等离心叶轮自适应边界层控制技术结合起来,在全工况范围内改善离心通风机叶轮的性能,提高离心风机的效率;
(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模拟的发展, 人们对于叶轮机械内部流动的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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