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離心通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)方法

　　如何設(shè)計(jì)高能、工藝簡單的離心通風(fēng)機(jī)一直是科研人員研究的主要問題， 設(shè)計(jì)高能葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。

　　葉輪是風(fēng)機(jī)的核心氣動(dòng)部件，葉輪內(nèi)部流動(dòng)的好壞直接決定著整機(jī)的性能和效率。因此國內(nèi)外學(xué)者為了了解葉輪內(nèi)部的真實(shí)流動(dòng)狀況，改進(jìn)葉輪設(shè)計(jì)以提高葉輪的性能和效率，作了大量的工作。

　　為了設(shè)計(jì)出高能的離心葉輪 , 科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律 , 尋求最佳的葉輪設(shè)計(jì)方法。最早使用的是一元設(shè)計(jì)方法，通過大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和一定的理論分析，獲得離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵截面氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇規(guī)律。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風(fēng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵截面的平均速度計(jì)算，確定離心葉輪和蝸殼的關(guān)鍵參數(shù)，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(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)性能需要設(shè)計(jì)人員有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)可以獲得性能不錯(cuò)的風(fēng)機(jī)，但是，大部分情況下，設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)效率低下。為了改進(jìn)，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(jìn)行設(shè)計(jì) ，如此設(shè)計(jì)出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設(shè)計(jì)的葉輪雖然比前一種一元設(shè)計(jì)方法效率略有提高，但是該方法設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)輪蓋加工難度大，成本高，很難用于大型風(fēng)機(jī)和非標(biāo)風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)。另外一個(gè)重要方面就是改進(jìn)葉片設(shè)計(jì)，對于二元葉片的改進(jìn)方法主要為采用等減速方法和等擴(kuò)張度方法等，還有 采用給定葉輪內(nèi)相對速度 W 沿平均流線m 分布的方法。 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(nèi)的流動(dòng)過程中以同一速率均勻變化，能減少流動(dòng)損失， 進(jìn)而 提高葉輪效率 ；等擴(kuò)張度方法是為了避免局部地區(qū)過大的擴(kuò)張角而提出的方法。 給定的葉輪內(nèi)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(guī)律，通過簡單幾何關(guān)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(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。 

　　隨著數(shù)值計(jì)算以及電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，可以采用更加復(fù)雜的方法設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)葉片 。苗水淼等運(yùn)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面上進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法 , 該方法目前已經(jīng)推廣至工程界 , 并已經(jīng)取得了顯著效果。但是此方法中決定葉輪設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；另一方面也需要在設(shè)計(jì)過程中對設(shè)計(jì)結(jié)果不斷改進(jìn)以符合葉片渦的分布規(guī)律 , 以期最終設(shè)計(jì)出高效率的葉輪機(jī)械。對于整個(gè)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(gè)子午面上的分布 ，也可以通過經(jīng)驗(yàn)公式確定可控渦的分布，也有利用給定葉片載荷法設(shè)計(jì)離心通風(fēng)機(jī)的葉片。以上方法都是采用流線曲率法，設(shè)計(jì)出的是三元離心葉片，對于二元離心通風(fēng)機(jī)葉片還不能直接應(yīng)用。但數(shù)值計(jì)算顯示，離心通風(fēng)機(jī)的二元葉片內(nèi)部流動(dòng)的結(jié)構(gòu)是更復(fù)雜的三維流動(dòng)。因此，如何利用三維流場計(jì)算方法進(jìn)一步來設(shè)計(jì)高能二元離心葉輪是提高離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。

　　隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，三維粘性流場計(jì)算獲得了非常大的進(jìn)步，據(jù)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(jī)類優(yōu)化方法尋優(yōu)時(shí)計(jì)算量過大的問題， 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法， 提出的一種 計(jì)算量小、在一定程度上可以保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的方法。在近似模型方法應(yīng)用于葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面 , 國內(nèi)外研究者們已經(jīng)做了相當(dāng)一部分工作, 其中以響應(yīng)面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用居多。如何有效地將近似模型方法應(yīng)用于多學(xué)科、多工況的優(yōu)化問題 , 并用較少的設(shè)計(jì)參數(shù)覆蓋更大的實(shí)際設(shè)計(jì)空間 , 是一個(gè)重要的課題。

　　2007 年，席光等提出了近似模型方法在葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。近似模型的建立過程主要包括：（ 1 ）選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法并布置樣本點(diǎn) , 在樣本點(diǎn)上產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)目標(biāo)對應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)；（ 2 ）選擇模型函數(shù)來表示上面的樣本數(shù)據(jù)；（ 3 ）選擇某種方法 , 用上面的模型函數(shù)擬合樣本數(shù)據(jù)，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(yīng)產(chǎn)生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利于更準(zhǔn)確地洞察設(shè)計(jì)量和設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系，而且用近似模型來取代計(jì)算費(fèi)時(shí)的評估目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算分析程序，可以為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供快速的空間探測分析工具，降低了計(jì)算成本。 在氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，用該模型取代耗時(shí)的高精度的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 , 可以加速設(shè)計(jì)過程 , 降低設(shè)計(jì)成本。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論提出的近似模型方法，有效地平衡了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的葉輪機(jī)械氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中計(jì)算成本和計(jì)算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，將響應(yīng)面方法、 Kriging 方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功地應(yīng)用于葉輪機(jī)械部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在離心壓縮機(jī)葉片擴(kuò)壓器、葉輪和混流泵葉輪設(shè)計(jì)等問題中得到了成功應(yīng)用 , 展示了廣闊的工程應(yīng)用前景。目前，席光課題組已經(jīng)建立了離心壓縮機(jī)部件及水泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。

　　2008 年，李景銀等在近似模型方法的基礎(chǔ)上提出了 控制離心葉輪流道的相對平均速度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 ，將近似模型方法較早的應(yīng)用于離心通風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)。該方法通過給出 流道內(nèi)氣流 平均速度 沿平均流線的設(shè)計(jì)分布，設(shè)計(jì)出一組離心風(fēng)機(jī)參數(shù)，根據(jù)正交性準(zhǔn)則，在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎(chǔ)上，采用正交優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化組合，并結(jié)合基于流體動(dòng)力學(xué)分析軟件的數(shù)值模擬，最終 成功開發(fā)了與全國推廣產(chǎn)品 9-19 同樣設(shè)計(jì)參數(shù)和葉輪大小的離心通風(fēng)機(jī)模型，計(jì)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(shè)計(jì)開發(fā)效率。

　　隨著理論研究的不斷深入和設(shè)計(jì)方法的不斷提高，對于 降低葉輪氣動(dòng)損失、改善葉輪氣動(dòng)性能的措施， 提高離心風(fēng)機(jī)效率的研究，將會更好的應(yīng)用于工程實(shí)際中。