原风机叶轮模型的建立

根据第四章利用 Fluent 仿真得到的三级离心风机单级叶轮进出口参数作为设计点参数，即流量 Q=2941m3/h，叶轮进出口总压差为 p =0.353bar，转速 n=4600r/min，流体密度  =1.225kg/m3；叶轮的几何尺寸如下：轮毂直径 Dn=110mm，叶轮进口宽度b1=48mm，吸力直径 ds=256mm，叶轮直径 d2=700mm，出口宽度 b2=22mm。忽略叶片的焊缘，利用 CFturbo 设计出原风机的叶轮模型，步骤如下。
     根据叶轮几何尺寸得到的风机子午面的形状如图 6-2 所示。在原设计中风机的轮盘曲线采用的是简单的直线加圆弧的型式。最后建立的叶轮模型如图 6-3 所示，此模型即为原风机各级叶轮的形状。
叶轮模型设计完后，利用 CFturbo 软件的预测功能预测原风机单级叶轮在 4600r/min转速下的能曲线如图 6-4、图 6-5、图 6-6。图 6-4 所示为叶轮体积流量与进出口压差关系曲线图，图中交叉点为叶轮设计点，该点的数值经过 Fluent 计算求得。从图 6-5、图 6-6 可看出，根据原叶轮的实际形状设计出的叶轮，其进出口压差、效率的预测值比设计点的数值大，但叶轮实际所需功率也比设计点值大。
6.3 叶轮结构参数优化
分析原风机单级叶轮的性能曲线，建立的优化原则为：保证压差不低于设计点的值，叶轮效率在设计点之上并相对较高，叶轮制造更简单或更节约能源。在此原则下，原风机叶轮的主要优化方向是使所需电功率在设计点以下，并尽量使叶轮结构简单，便于制造。
针对此状况，本节利用 CFturbo9 平台对原叶轮参数的改进方案进行了探讨，并通过该软件的预测功能比较改进前后叶轮的整体性能。
6.3.1 叶轮直径
通过改变叶轮的直径来研究叶轮直径对叶轮性能的影响，分析原风机叶轮直径的优劣。原风机叶轮直径为 700mm，在此基础上，增加叶轮直径为 500mm、600mm、800mm和 900mm 时的性能预测曲线，如图 6-7、图 6-8、图 6-9 所示。观察图 6-7 发现，不同直径的叶轮拥有不同的流量与进出口压差关系曲线，在同一流量状态下，直径越大叶轮压差越大，且相邻曲线之间的差值随叶轮直径的增大而增大，但只有当直径在 700mm以上时，压差才能达到设计点要求。虽然压差曲线不同，但从图 6-8、图 6-9 可知，各直径下的叶轮流量与内部效率、所需电功率曲线几乎重合，即叶轮直径对内部效率、所需电功率的影响不明显，但直径的增大会加大对叶轮制造的难度，综合考虑，在保证叶轮进出口压差大于或等于设计点压差的情况下，本文对叶轮优化后的直径保持 700mm不变。
6.3.2 叶轮叶片数
取叶轮叶片数分别为 12、18、24 及 30，设计叶轮模型，并预测叶轮性能曲线如图6-10、图 6-11、图 6-12 所示。叶轮取不同的叶片数，叶轮进出口压差与叶轮的效率对应不同的数值，观察流量压差曲线发现，叶片数从 12 片增加到 18 片压差的增量比 18 片增加到 24 片增量大，而从 18 片增加到 24 片的压差增量又比 24 片增加到 30 片的增量大。其效率曲线亦有类似的规律，且效率变化不大。
从制造难易程度考虑，增加叶片数将大大增加叶轮制造难度且会降低精度，虽然增加叶片数可以提高叶轮的效率，但是从图 6-11 可看出，当叶片数从 24 片增加到 30 片式，效率只有微小的提高，当叶片数由 24 片减少为 18 片时，效率降低的也很微小，但在 18 片时叶轮所需的电功率在设计点附近，且为最低，如图 6-12 所示。因此，综合以上考虑，将原风机叶轮叶片数优化为 18 片。