设计参数对轴流风机性能影响

3.2设计参数对轴流风机性能影响
为了便于描述,本文中将轴流风机的设计压力、设计流量和风机转速统称为设计参数,将叶轮直後、轮毂比、安装角和叶片数等统称为结构参数。本节通过改变设计参数进行风机设计,并对所设计的风机进行气动性能的模拟,将性能参数无量纲化,并绘制“效率-压力系数”曲线进行对比。
本小节讨论在不同设计压力、设计流量和风机转速下所设计的风机的气动性能。对于轴流风机有当流量增大时,其风机压力会下降,所以本小节将设计压力和设计流量共同讨论,之后再将风机转速加入一起讨论。
3.2.1改变设计压力和设计流量
本节中分别选取厂家C某直径为800mm风机性能曲线中的四个工况作为设计工况进行设计。该风机叶轮直径为800mm,具有9片动叶,9片动叶完全相同, 并呈周向均布,叶轮轮毂直径为420mm;后导流器(静叶)为8片,由圆弧+直线段组成,8片静叶完全相同,也周向均布,电机外径为149mm。该风机性能和结构参数如下: 保证设计风机与该风机具有相同的叶轮直径、轮穀比和静叶参数,选择该厂风机的四种工况作为设计参数进行风机叶片设计。表3.4给出了四种设计工况下风机的翼型参数。
当设计流量增大时,风机进口处的轴向速度C;,增大,在相同半径截面处,叶片翼型的进口气流角会增大。由于设计压力的减小,变环量流型中的常数会减小,每个截面处的AC;也减小,根据出口气流角公式可知,其分子和分母同时增大,而从上表可以看出,其最终的效果是使叶片翼型的出口气流角减小,从而使叶片型的转角减小。下图为四种设计工况下,轴流风机的性能曲线图3.5。
从“全压-流量”曲线和“效率-流量”曲线可以看出,当在小流量时,轴流风机的压头高,效率低。在一定范围内,随着流量的增大,风机压头逐渐下降,而风机效率逐渐增大。此变化规律与设计参数无关,不同的设计参数设计出的风机的性能曲线都呈现相同的规律。为了更直观地观察全压和效率之间的关系,绘制“效率-全压”曲线如3.6。
从“效率-全压”曲线可以看出,效率和全压呈现反相关关系。当轴流风机效率低时,其全压高,当风机效率高时,其全压较低。为了便于后续与其它结构参数风机进行对比,将风机性能参数无量纲化,绘制散点图如下:上图中可以看出,根据不同设计参数所设计的风机,其“效率-压力系数”散点图在一个带内波动。同样可以看出,风机的效率和静压系数成反相关关系:当风机压力高时,风机效率相对较低;当风机效率高时,风机静压系数相对较低即在设计轴流风机时,高压头和高效率不能同时兼得,要在两者之间折中,想获得高压轴流风机必定会牺牲一部分效率。以下选取设计流量为21000 m3/h的风机分别在21000 m3/h和30000 m3/h流量下的流场进行分析,流场图如下:3.9分别为1000 m3/h和30000 m3/h流量时在叶片轴向长度1/2处截得的叶顶间隙处的轴向速度矢量图:风机叶片四面和凸面的静压矢量图可以看出,在小流量工况下,轴流风机压力高,在风机叶片顶部的凸面存在较大低压区域,在凹面存在较大高压区域,叶片la面和凸面之间存在较大压力差。轴流风机的叶片与机壳之间存在径向间隙,从叶顶间隙处的轴向速度矢量图可以看出,风机前后的压差使风机叶顶间隙处轴向速度与叶片间的主流方向相反,即出现较大的逆流,从而产生泄漏。在小流量、高压头的情况下,逆流速度较大,造成风机的泄漏损失也会增大,这也是高压头时风机效率下降的一个原因。