多级离心风机内部流场研究与结构优化（4）

多级离心风机内部流场研究与结构优化

4 第一章  绪论
 
设计技术，探索出更高效快捷的优化设计方法。
（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风机叶轮的特性，提高其效率。
（3）将非定常特性纳入考虑范围内，研究其设计方法。就目前而言，对风机内部流动的研究还主要停留在定常计算的层面上，但其实质是非定常流动，随着动态试验和数值模拟的发展，人们对叶轮内部流动的非定常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。华南理工大学硕士学位论文 的轴向间隙，庄镇荣的研究表明，该轴向间隙的大小在大流量时对风机的气动性能影响很大，间隙过大会导致泄露增大，间隙过小在大流量的条件下泄露气流对主气流的影响很强，同时会降低叶轮进口段的利用率，因此轴向间隙取为叶轮外径的 0.02-0.025 倍最为合适。
2、叶轮
叶轮是风机的旋转部件，对风机中的能量传递起着主要的作用。由于叶轮的形状很复杂，使得叶轮流道的内部流动变成了非常复杂的三维湍流流动。既有二次流，又有射流-尾迹流等现象存在，为了改善风机的内部流动，必须对叶轮叶片进行优化设计，近年来，很多学者都在致力于风机叶轮形状的研究，取得了较大的成果。
1999 年，清华大学黄东涛等人提出了在离心叶轮设计中采用长短叶片开缝方法，该方法采用串列叶栅技术，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，从而提高效率。该文章指出，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。为了提高设计小流量风机的效率，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流，直接给叶轮内的低速流体提供能量。该方法使得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
。
同样在 2008 年，李景银等人提出了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。此种方法提高了设计点附近的风压，明显改善叶轮出口的分离流动，减少低速区域，提高了风机的效率

另外在 2007 年，刘小民等人采用边界层主动控制技术在压缩机的进气段选择性的布置涡流发生器，达到改变叶轮进口处流场的目的。在文章中他对涡流发生器应用于离心叶轮内流动控制的效果进行了验证和研究，他的研究表明，通过这种方法确实可以改善叶轮内部流动，提高叶轮性能。但是该种方法结构复杂，并且需要外加控制设备和能量，不具有经济性。
综上所述，近年来对离心风机叶轮内部流动的研究取得了较大进展，有些成果已经应用到实际设计中，获得了较为满意的结果。尽管如此，但西安交通大学的田华、李静银等人指出对离心风机还可以在以下方面做进一步的研究.
（1）在通风机的应用中如何将近壁模型方法进行更深入的研究，结合已有的叶片数值分析法是借助数值分析软件来对风机的内部流场进行模拟，通过对模拟结果的分析，找出风机的不足之处在予于改进。Kim采用有限差分和 SIMPLE 算法对叶片扩压器内的流动进行了数值计算。Dorney等和徐惊雷分采用准三元的方法对离心压缩机叶轮的流动进行了数值模拟并比较了有粘和无粘流动的结果。Lenke 比较了分别使用低雷诺数κ一ε和代数湍流模型模拟回流器中的流动分别用数值方法模拟了半开式叶轮叶顶间隙处的流动，分析了其对叶轮以及级性能的影响。
由于近年来 CFD 技术的迅速发展，这种方法也得到了广泛的应用。邵卫、李益民和贾丽红，用 CFD 软件 FLUENT，对整个风机蜗壳内部流场进行了三维数值模拟，并对后盖板在叶轮中心处的倾角进行了改善，使得叶片压力面的全压明显提高，风机的整体性能得到改善。吕峰、牛子宁和李景银等，对自主开发的 7-40 风机进行了全工况数值模拟，并对大中小 3 种流量下风机蜗壳的内部流场进行了全面研究，分析了蜗壳对叶轮流动的影响。Clayton使用了 CFD 软件 Star-CD 进行了高速离心压缩机的湍流模拟。

则采用 RSIMPLEC 算法计算了半开式三元叶轮分别和无叶扩压器、叶片扩压器组合的级内的定常和非定常流场。使用 TASCflow 软件对由带有分流叶片的叶轮和叶片扩压器组成的级进行了流动的数值模拟并与实验结果进行了比较。
     (二）离心风机结构研究现状
     离心风机主要包括集流器、叶轮、蜗壳三大部件，下面分别介绍这三部分国内外的研究现状。
1、集流器
研究表明，集流器具有保证气流均匀地流入叶轮进口截面，以降低流动损失提高叶轮的效率的作用，它的结构型式、位置型式都会对风机的流动特性产生很大的影响。 集流器的结构型式对叶轮的主气流利用率及蜗壳出口侧集流器背部涡流区域有很大影响，他的形状设计应尽可能与叶轮进口区域的流动状况相吻合，尽量减小涡流区的范围，同时还应保证集流器区气流流动的平稳性。目前常采用的集流器形状有圆筒形、圆锥形、锥弧形和喷嘴形四种。其中以锥弧形最为常用。但是，在采用锥弧形集流器时，虽然在集流器喉部之前的减缩段的气流流动一般比较平稳，但是在集流器喉部到叶轮进口的扩散阶段气流脱离壁面容易发生边界分离，导致损失增加，从而使风机效率降低。林世扬等通过减小渐缩段的锥度、增加喉部半径等方法，消除了扩散段的边界层分离，机效率。
集流器的位置型式对风机的内流特性也有很大影响。这主要涉及集流器与叶轮之间.