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穆格进步风机维护的可猜测性 |
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作者：穆格元器件团体 |
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风机的寿命一般可以达到20年，但大部分风机的质保范围只是风机整个运行寿命最初的2~5年。随着风机系统的老化，未必所有的风电场业主都做好了对风机进行维护的预备。其中部分情况是缺乏维护工作所需要的技术职员。况且即使配备了满足风电场日常维修要求的技术职员，计划外的维护还是会明显影响到风电场的正常运行。
风电场业主、工程师、技术职员和风机制造商可以通过以下措施来降低计划外维护的风险，即考虑采用维护要求低，甚至能提前告知何时失效的部件。听上往有些不切实际，但事实并非如此。
体形虽小作用大
纤维刷滑环就是这样一种产品（图）。尽管在风机总本钱和风机设计中只是微不足道的一小部分，但滑环对风机的正常运行起着关键作用。滑环安装在风机机舱罩中，通常用于提供变桨功率和控制所需的电气信号和能量。滑环通过一个旋转的接口输送电功率和信号。
穆格公司的纤维刷滑环不仅维护要求低，而且能提前告知何时失效
滑环的工作原理是滑动触点通过滑环总成里的旋转接口传输电气信号和能量。电刷（或接触电刷）在旋转的滑环上滑动，并在其旋转过程中保持不中断接触。这就是说，为确保正确无误的电气信号传输，静止的电刷和旋转的滑环之间需要有“金属间的接触”。
纤维刷滑环能够为风机业主提供至少1亿转次的工作寿命而无需维护，这意味着在风机20年的工作寿命中，技术职员可能仅需拆换滑环一次。但并不是所有的滑环都能达到这个要求，而是要了解滑环总成的设计和结构才能评估它们的维护需求。
市场分类
市场上约有10%的风机滑环是纤维刷滑环，这种滑环只需要很少量的维护。大部分（约60%）滑环由复合金属电刷制成，一般是金属和石墨烧结而成的导电块。即使这种复合金属刷滑环如其制造商所声称的具备高达7500万转次的工作寿命，也需要频繁的维护。剩余30%的风机滑环采用单线贵金属电刷（通常由黄金制成）。复合金属电刷滑环和单线电刷滑环所需的维护量都远远大于纤维刷滑环。
原因在于复合电刷的设计是优先磨损电刷以避免滑环磨损，因此需要足够长的电刷才能最大限度地延长电刷更换周期。在大功率或高可靠性滑环应用中，这种材料面临3方面挑战：运行中产生的磨屑有导电性、研磨性且呈粉末状，需定期清理；这种电刷材料对湿度十分敏感，若相对湿度低于15%或高于85%，会造成其磨损不均；用于信号级电路时，复合电刷会占据大量空间。
单线金属电刷滑环相比复合电刷设计的上风，首先在于磨屑较少，另外则是用于信号电路时容量更高。但单线金属电刷系统也存在缺点：单刷相对较小的尺寸导致载流能力有限；其次大部分黄金与黄金间的触点需要润滑，而始终保持充分的润滑是十分困难的。
目前市场中开始出现动力电路采用石墨/金属电刷、信号电路采用黄金单丝电刷的滑环设计。在滑环总成转数要求低的应用中，这种“混合使用”能够达到可接受的结果。但是在同一总成中混用“石墨/金属”和“黄金接触黄金”的电刷会使风机运行不可靠。石墨/金属的磨屑会污染黄金的信号触点，并产生研磨性金属粉，尤其当存在会导致信号电途经早失效的触点润滑油的时候。
纤维刷的设计是将多条金属纤维丝捆扎成致密的多纤维“刷子”。一般情况下，这些纤维是与单线设计相当的贵金属材料，且电刷运行所在的滑环也外镀贵金属。贵金属的使用防止了触点上产生氧化物和覆盖层，同时确保了极小的接触力。接触力小降低了磨损速度，因而电刷产生的磨屑几乎可以忽略。而且多条金属纤维能够提供优良的导电性和很高的电流密度，工程师可以将纤维刷用于动力和信号两种电路。
做出转变
将复合金属电刷滑环和单线金属电刷滑环更换为纤维刷滑环十分简单。但是一些风机业主对于是否用纤维刷滑环代替现有的滑环技术犹豫未定，这是由于他们怀有“尝试新技术要承担风险”的想法。而仔细考查过纤维刷滑环技术的人，会发现选择一种几乎不用维护的部件实际上就已经消除了风险，也无需进行维护。
例如，纤维刷触点对于风机机舱内环境的敏感度远低于其他滑环触点。保护这些纤维刷滑环的防护外壳符合包括IP65在内的各种标准。而且由于纤维刷触点不需要润滑，因此对低温顺高温的承受能力都很强。纤维刷设计已经证实能够适应?55~+80℃的温度，而且能够在0~100%的相对湿度下运行。而复合电刷要求湿度在15%~85%之间才能可靠运行。
风电行业的相关人士都了解风机上的很多部件存在可靠性题目，而且对运行中导致部件故障的原因也有了更深刻的熟悉。但是滑环技术尽管有先进的设计和性能，依然被很多风电场业主所忽视。最初，大型风机制造商使用的是能在触点产生金属/石墨磨屑的复合电刷。为解决复合触点产生的金属粉末和磨屑，制造商转而采用黄金触点，纤维刷滑环在这些设计基础上进行了新的改进。但很多情况下，风电场业主仍沿用老式滑环，甚至一年一换，但其仍然从原厂购买相同的设备。而这种做法又延续了一个不必要的维护和更换周期。
实际上，假如作为风机定期计划维护的一项要求，将滑环更换为免维护的纤维刷技术只需30min即可完成。对于拥有、设计、运行和维护风机的人来说，纤维刷技术减少了风电场的计划外维护题目。(end)
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收录时间:2011年01月27日 23:08:13 来源:穆格元器件集团 作者:
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动叶可调增压风机转子的动态特性研究 |
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| 成玫 吴秉瑜
(质量技术部)
摘 要：应用有限元建立动叶可调增压风机转子的模型并研究其动力学特性。首先在ABAQUS有限元软件平台下，建立了动叶可调增压风机转子的三维实体模型，通过对VDLOAD子程序的二次开发实现了非线性滚动轴承力载荷的有效模拟，实现了动叶可调增压风机转子在滚动轴承支撑条件下的动力学三维仿真分析。其中，对于滚动轴承模型，充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及滚动轴承的实际接触角,并将改进后的滚动轴承模型与已有的结论作比较，达到了较好的一致性，说明用该模型来分析转子系统的动特性是可行的。继而以该模型为基础，在转子不平衡和滚动轴承力的情况下，研究转子系统的动力学特性。并观察轴心轨迹图、频谱图，发现了一些规律，为以后在现场中出现类似的故障信号作指导，节省维修时间和费用，提高工作效率。
关键词：转子 ABAQUS 滚动轴承 轴心轨迹
Dynamic analysis of a rotor of
moving blade adjustable booster fan
CHENG mei, WU Bing-yu
(Quality Management Department )
Abstract:The rotor model of the moving blade adjustable booster fan was set up by using the Finite Element modeling. Then dynamic properties of the rotor system were studied. Based on the platform of ABAQUS, we set up the three-dimension model of the a moving blade adjustable booster fan, used VDLOAD subroutine to simulate nonlinear ball bearing force, researched the dynamic characteristics of the rotor system under ball bearing support. The nominal contact angle of the ball bearing was introduced in the improved ball bearing method. And the result of the present method was in good agreement with the previous conclusions, so it was feasible using this method to predict the dynamic characteristics of rotor system. The simulation was employed to obtain the orbit of rotor center maps and frequency spectra , and the dynamics properties of the rotor system with the influence of rotor imbalance and the ball bearing force was analyzed. From the results of the simulation, we could draw a conclusion to analyze the failure phenomenon of the scene services, find out the causes and take effective measures to solve them. Through this way, we would improve work efficiency, save maintenance time effectively and reduce economize expenses.
Keywords:rotor , ABAQUS, ball bearing, orbit of rotor center
前言
有限元技术是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一，利用有限元可以分析十分复杂的工程结构的机械性能，也可以对各种工程事故进行技术分析，它的实质就是把具有无限个自由度的连续系统，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题，它的模拟是对真实情况的数值近似；并且随着电子计算机技术和有限元数值仿真技术的发展，对大型设备进行数值仿真的计算技术更加趋于完善，计算结果的可信度也大大提高。现今的有限元分析软件很多，有ABAQUS、ANSYS等等，本文就利用ABAQUS有限元软件对动叶可调增压风机的转子进行了动特性研究。
1.动叶可调增压风机转子的计算模型
1.1 有限元模型的建立
对动叶可调增压风机转子采用了实体建模，模型中包括螺栓、倒角、轴肩、退刀槽等细节结构，以期计算模型尽可能地接近真实结构。在ABAQUS有限元软件中对于叶片这种曲面的绘制不理想，因此先利用Catia软件对增压风机进行了三维实体建模（如图1），然后将其模型导入ABAQUS软件中。
1.1.1几何模型简化
数值仿真计算结果的正确与否以及精度的高低在很大程度上取决于有限元单元网格的质量。本文需要计算的是动叶可调增压风机转子的振动特性，所以简化的原则是不能改变结构的振动特性、刚度特性以及其他不影响计算的结构特性。在我们现阶段的研究中，并没有考虑由叶片产生的Alford力对转子轴系动力学特性的影响，而只是考虑了转子的偏心和轴承力这2个因素，同时这里的叶片是变截面弯扭叶片，难于划分规则的网格，从而会降低计算精度。在传统的计算中，一般会按照叶片和轮盘的质量及转动惯量，将其模化为一点，附加在转子模型上进行求解，但这样就无法反映出分布质量和分布转动惯量对临界转速的影响，以及由轮盘和叶片产生的离心力对轴的刚度的影响。大量的计算实例证明，有限元三维实体模型将更贴近实际[1-3]。因此本文中没有将叶片作为附加质量建立在转子之上，而是采用了文献[4]中提出的等密度模化法，忽略了实际的叶轮与转子之间的键联结关系，并将增压风机转子与叶片构建为一个整体，且保证模化前后的质量和转动惯量不变（如图2）。另外，对于动叶可调增压风机转子这种复杂的设备，在进行有限元网格划分之前有必要对一些严重影响网格划分质量的部分（如倒角、轴肩、退刀槽等）进行适当的简化。在保证质量不变的情况下，本文将这些地方也进行了简化，改善了网格划分质量（如图3）。
1.1.2有限元网格划分
有限元网格质量的好坏是进行有限元数值仿真的基础，对于动叶可调增压风机转子系统，本文选择了六面体缩减单元C3D8R，整个模型共有2538个单元，2992个节点（如图4）。而且，由于缩减积分单元在显示动力学计算的过程中存在沙漏现象，即整个过程的动能和势能总和超过了总能量值，使得结果精度变差，所以本文采用了“Second-accuracy”的沙漏控制方法，对于网格的划分及计算的选择，是需要针对各自特定的使用场合，通过不断的试用和比较，来选取最合适自己所分析的问题的方案。
1.2 边界条件处理
在本文中对于轴承处的边界条件处理，分为了两种情况讨论，分别为铰支和考虑滚动轴承力的支承。首先，由于六面体单元的节点只有3个自由度，没有旋转自由度，所以本文在轴上设置了参考点，通过对参考点施加恒定的转动速度来带动整个轴的旋转。
在铰支情况下我们采取的边界条件如下：全约束靠近涡轮盘一侧的与轴承配合的连接面，而另一侧与轴承配合的连接面处允许其轴向窜动。
对于轴承力，综合考虑了轴承径向间隙、非线性赫兹接触以及支承刚度的周期变化等因素后，建立的滚动轴承支承力[5]如下：
滚动轴承的实际接触角与轴承间隙时有关的，但在上式中并没有考虑滚动轴承的实际接触角，本文将滚动轴承的实际接触角也计入公式中。设滚动轴承的接触角为 ，则
为了验证本文改进后的滚动轴承力是否正确，与文献[6]中，Mevel建立的滚动轴承力进行了比较。转子的旋转速度为低转速300 r/min时，可以观察到由于轴承内部刚度周期变化所引起的变柔度振动――VC振动（varying compliance vibration）, 厂房降温负压风机，VC振动的频率为旋转频率的BN倍，BN是和轴承有关的系数，它取决于轴承尺寸。图6为采用本文模型计算得到的X、Y方向振动位移，从图6中可以清楚的看出，X、Y方向的运动是周期的，并十分明显的表现出了滚珠的通过频率，当一个滚珠离开载荷区的时候，转子下降，并接触一个新的滚珠，使颤振迅速出现和消失。该计算结果与Mevel[6]的计算结果（如图5）达到了较好的一致性，说明本文进行改进后的滚动轴承力的计算公式的正确性。同时，由图7的频谱上可以看出，轴承的振动表现为旋转频率的BN倍及其谐波。 Fukata[7]的研究也表明，当转速在远离X和Y方向两个临界转速时，运动是周期的，表现出滚珠的转动频率和它的谐波，这再一次验证了本文改进后计算结果的正确性。 1.3 载荷施加
在铰支情况下，施加的载荷是：整个转子受重力的作用（如图8），然后可以通过修改密度来达到实现偏心的目的。
对于滚动轴承力支承条件下，则将滚动轴承力施加在轴承处，但在ABAQUS中，像这种包含位移和速度参数的载荷并不能直接加载，需要借助于ABAQUS提供的二次开发平台subroutine来实现，具体来说就是选用其中的VDLOAD子程序来写入。程序以Fortran软件为平台接入，VDLOAD子程序的格式如下：
subroutine vdload (
C Read only (unmodifiable)variables -
1 nblock, ndim, stepTime, totalTime,
2 amplitude, curCoords, velocity, dirCos, jltyp, sname,
C Write only (modifiable) variable -
1 value )
include 'vaba_param.inc'
dimension curCoords(nblock,ndim), velocity(nblock,ndim),
1 dirCos(nblock,ndim,ndim), value(nblock)
character*80 sname
do 100 k=1, nblock
USER CODING TO DEFINE VALUE
100 continue
return
end
其中nblock，ndim，stepTime，totalTime，amplitude，curCoords，velocity，dirCos，jltyp，sname为subroutine提供的软件接口，通过这些参数可以调用计算过程中模型某个或某些节点的坐标、速度等信息，还包含运算的时间步长、载荷的类型的信息。
在ABAQUS中，并不能对单个节点加载这种载荷，只能在杆单元、面单元和体单元上加载，因此我们借助杆单元来将滚动轴承力加载在转子与轴承接触的地方。具体的方法是在ABAQUS中建立两段杆单元，分别与转子tie在一起，tie在一起的节点具有完全相同的位移及转速。将滚动轴承力加载在这两段杆单元上，如图9。
2.1 转子不平衡
在ABAQUS中，通过修正一部分密度值，可以实现转子不平衡的设置。对于上述建立的增压风机转子系统的三维实体模型，采用这个方法实现了转子的不平衡，并进行了动特性分析，图10-图12是在不同的转速下的X方向时域波形图、转子轨迹图及频谱图。综合比较，发现转子系统的振动信号的原始时间波形为简谐波, 降温设备，其轴心轨迹呈圆形，并且在振动信号的频谱图中，以转子系统的基频成分为主，在升降速的过程中，当转子系统的工作转速小于临界转速时，振动幅值随转速的增加而上升（如图10-11），但在转子系统的工作转速大于临界转速之后，振动幅值随转速的增加法反而减小了（如图11-12）。  
2.2 轴承间隙
轴承是机械系统中重要的支承部件，其性能与工况的好坏将直接影响到与之相连的转子的性能，并且轴承的径向间隙是决定轴承-转子系统动态响应的一个重要参数，因此，本文对滚动轴承间隙的变化对转子系统动力学特性的影响也进行了研究。图13是在相同的转速下，不同轴承间隙的转子频谱图。通过比较，发现随着滚动轴承间隙的增加，频谱图中的振动幅值将逐渐增加，说明随着滚动轴承间隙的增加，滚动轴承的动态刚度减小了，从而导致转子系统的运动稳定性逐渐变差。
结论
首先在CATIA软件中建立了动叶可调增压风机的转子系统的三维实体模型，通过一定的简化原理，对原三维实体模型进行简化并导入ABAQUS中，然后通过对ABAQUS的加载单元进行了二次开发，利用VDLOAD subroutine加载了滚动轴承力，即而进行了在转子不平衡和不同的滚动轴承间隙下的有限元仿真计算，最后对轴承力的改进以及对仿真计算结果进行分析得到如下结论：
综合考虑了轴承径向间隙、非线性赫兹接触、支承刚度的周期变化以及滚动轴承的实际接触角等因素后，建立的滚动轴承支承力与文献相比的结果较为符合，说明改进后的滚动轴承力模型的有效性。
在转子不平衡情况下，转子系统的振动信号的原始时间波形为简谐波，其轴心轨迹呈圆形，并且在振动信号的频谱图中，以转子系统的基频成分为主，在升降速的过程中，当转子系统的工作转速小于临界转速时，振动幅值随转速的增加而上升，但在转子系统的工作转速大于临界转速之后，振动幅值随转速的增加法反而减小。
随着轴承间隙的增加，使得滚动轴承的动态刚度减小，转子系统的振动幅值增加，导致转子系统的运动稳定性逐渐变差。
通过以上的分析，以后若在现场中出现了类似的故障信号时，我们则可以先察看是否是由于转子的不平衡或轴承间隙过大造成的故障，继而可以节省了维修时间和费用，提高生产率。
参考文献：
黄兹思，蒋伟康，周易.双转子压缩机振动的有限元数值分析与实验研究.机械强度，2004第6期：P620-623
谢正超，唐新蓬，张彤.传动轴临界转速的有限元方法计算及分析.汽车科技，2003第2期：P9-10
于保敏，黄站立.离心泵转子的有限元模态分析.机械工程师，2005第6期：P108-109
王超,王延荣,徐星仲等.应用三维有限元法计算汽轮机转子临界转速和模化长叶片.动力工程，2007第27卷第6期:P840-844
陈果.具有不平衡-碰摩耦合故障的转子―滚动轴承系统非线性动力学研究.振动与冲击，2008第27期第4卷:P43-48
Mevle B, Guyader J L. Routes to chaos in ball bearings. Journal of Sound and Vibration,1993第162期3卷:P471-487
Fukata S, Gad E H, Kondou T, et al. On the radial vibration of ball bearings(computer simulation). Bulletin of the JSME, 1985第28期:P899-904
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收录时间:2011年06月22日 11:39:54 来源: 作者:
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叶片弯曲对轴流风机内部流场影响的数值模拟研究 |
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【英文题名】 Numerical Simulation to Blade Curving Influence Axial Fan\'s Internal Flow
【作者中文名】 张利蓉;
【导师】 毛君; 李蕾;
【学位授予单位】 辽宁工程技术大学;
【学科专业名称】 机械设计及理论
【学位年度】 2007
【论文级别】 硕士
【网络出版投稿人】 辽宁工程技术大学
【网络出版投稿时间】 2007-08-23
【关键词】 轴流通风机; 弯曲叶片; FLUENT; CFD; 数值模拟;
【英文关键词】 Axial-fan; curving blade; FLUENT; CFD; Numerical Simulation;
【中文摘要】 随着计算机硬件和计算流体动力学的飞速发展,运用数值模拟的方法对轴流风机内部流场进行模拟,可以帮助我们得出指导性、方向性的结果,可以帮助选择性能最佳设计,具有明显的应用价值。 轴流风机是依靠叶轮旋转时叶片产生的升力来输送流体的,因此轴流风机的损失主要是流动损失。弯曲叶片一直是人们为改善风机性能,提高风机效率研究的重点。 本论文运用CFD软件―FLUENT对轴流风机进行了三维数值模拟,选取矿用KJZ55型轴流风机及其后导叶作为研究对象,重点研究了风机叶片弯曲角度的变化对整机性能的影响,获得了轴流风机内部流场许多重要流动细节、规律及性能参数。模拟结果对优化轴流风机的叶片形状、改善风机性能提供了依据,尤其是对弯曲叶片技术应用于普通风机提供新的尝试,为提高轴流风机的效率提供参考。
【英文摘要】 With the development of computer hardware and computational fluid dynamics at very fast speed , simulating axial-fan’s the internal flow properly with numerical method can provide computational results in guiding the design and help us to choose the best design plan .Such effort is worthwhile since it greatly reduces the design periods. Axial-fan carry air by uplifted force that blade bring when circumvolving, so the primary of loss is flow loss. Curving blade is emphasis to try best to reform the...
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收录时间:2011年01月07日 15:02:35 来源:ccen 作者:
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进步离心透风机叶轮性能浅述 |
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摘要：总结和阐述了离心透风机'>离心透风机内叶轮'>叶轮的设计方法和利用边界层控制技术进步离心透风机'>离心透风机叶轮'>叶轮性能等两个方面的主要成果，指出了这些研究的特点，结合作者自己的研究工作对进步离心透风机性能提出了建议，并对该方面研究的发展进行了展看。
0、引言
离心式透风机作为流体机械的一种重要类型，广泛应用于国民经济各个部分,是主要的耗能机械之一，也是节能减排的一个重要研究领域。研究过程表明：进步离心透风机叶轮设计水平,是进步离心透风机效率、扩大其工况范围的关键。本文将从离心透风机叶轮的设计和利用边界层控制技术进步离心透风机叶轮性能这两个方面，对近年来提出的进步离心透风机性能的方法和途径的研究进行回纳分析。
1、离心透风机叶轮的设计方法简述
如何设计高效、工艺简单的离心透风机一直是科研职员研究的主要题目，设计高效叶轮叶片是解决这一题目的主要途径。
叶轮是风机的核心气动部件，叶轮内部活动的好坏直接决定着整机的性能和效率。因此国内外学者为了了解叶轮内部的真实活动状况，改进叶轮设计以进步叶轮的性能和效率，作了大量的工作。
为了设计出高效的离心叶轮,科研工作者们从各种角度来研究气体在叶轮内的活动规律,寻求最佳的叶轮设计方法。最早使用的是一元设计方法[1]，通过大量的统计数据和一定的理论分析，获得离心透风机各个关键截面气动和结构参数的选择规律。在一元方法使用的初期，可以简单地通过对风机各个关键截面的均匀速度计算，确定离心叶轮和蜗壳的关键参数，而且一般叶片型线采用简单的单圆弧成型。这种方法非常粗糙，设计的风机性能需要设计职员有非常丰富的经验，有时可以获得性能不错的风机，但是，大部分情况下，设计的透风机效率低下。为了改进，研究职员对叶轮轮盖的子午面型线采用过流断面的概念进行设计[2-3]，如此设计出来的离心叶轮的轮盖为两段或多段圆弧，这种方法设计的叶轮固然比前一种一元设计方法效率略有进步，但是该方法设计的风机轮盖加工难度大，本钱高，很难用于大型风机和非标风机的生产。另外一个重要方面就是改进叶片设计，对于二元叶片的改进方法主要为采用等减速方法和等扩张度方法等[4]，还有采用给定叶轮内相对速度W沿均匀流线m分布[5]的方法。等减速方法从损失的角度考虑，气流相对速度在叶轮流道内的活动过程中以同一速率均匀变化，能减少活动损失，进而进步叶轮效率；等扩张度方法是为了避免局部地区过大的扩张角而提出的方法。给定的叶轮内相对速度W沿均匀流线m的分布是通过控制相对均匀流速沿流线m的变化规律，通过简单几何关系，就可以得到叶片型线沿半径的分布。以上方法固然简单，但也需要比较复杂的数值计算。
随着数值计算以及电子计算机的高速发展，可以采用更加复杂的方法设计离心透风机叶片。苗水淼等运用“全可控涡”概念[6],建立了一种采用流线曲率法在叶轮流道的子午面上进行叶轮设计的设计方法,该方法目前已经推广至工程界,并已经取得了明显效果[7]。但是此方法中决定叶轮设计成功与否的关键,即如何给出子午流面上叶片涡的公道分布。这一方面需要具有较丰富的设计经验；另一方面也需要在设计过程中对设计结果精益求精以符合叶片涡的分布规律,以期终极设计出高效率的叶轮机械。对于整个子午面上可控涡的确定，可以采用rCu沿轮盘、轮盖的给定，可以通过线性插值的方法确定rCu在整个子午面上的分布[8-9]，也可以通过经验公式确定可控涡的分布[10]，也有利用给定叶片载荷法[11]设计离心透风机的叶片。以上方法都是采用流线曲率法，设计出的是三元离心叶片，对于二元离心透风机叶片还不能直接应用。但数值计算显示，离心透风机的二元叶片内部活动的结构是更复杂的三维活动。因此，如何利用三维流场计算方法进一步来设计高效二元离心叶轮是进步离心透风机设计技术的关键。
随着计算技术的不断发展，三维粘性流场计算获得了非常大的进步，据此，有一些研究者提出了近似模型方法。该方法是针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的题目，应用统计学的方法，提出的一种计算量小、在一定程度上可以保证设计正确性的方法。在近似模型方法应用于叶轮'>叶轮机械气动优化设计方面,国内外研究者们已经做了相当一部分工作[12-14],其中以响应面和人工神经网络方法应用居多。如何有效地将近似模型方法应用于多学科、多工况的优化题目,并用较少的设计参数覆盖更大的实际设计空间,是一个重要的课题。
2007年，席光等提出了近似模型方法在叶轮'>叶轮机械气动优化设计中的应用[15]。近似模型的建立过程主要包括:（1）选择试验设计方法并布置样本点,在样本点上产生设计变量和设计目标对应的样本数据；（2）选择模型函数来表示上面的样本数据；（3）选择某种方法,用上面的模型函数拟合样本数据，建立近似模型。以上每一步选择不同的方法或者模型，就相应产生了各种不同的近似模型方法。该方法不仅有利于更正确地洞察设计量和设计目标之间的关系，而且用近似模型来取代计算费时的评估目标函数的计算分析程序，可以为工程优化设计提供快速的空间探测分析工具，降低了计算本钱。在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析,可以加速设计过程,降低设计本钱。基于统计学理论提出的近似模型方法，有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算本钱和计算精度这一对矛盾。该近似模型方法在试验设计方法基础上，将响应面方法、Kriging方法和人工神经网络技术成功地应用于叶轮机械部件的优化设计中，在离心压缩机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等题目中得到了成功应用,展示了广阔的工程应用远景。目前，席光课题组已经建立了离心压缩机部件及水泵叶轮的优化设计系统，并在工程设计中发挥了重要作用。
2008年，李景银等在近似模型方法的基础上提出了控制离心叶轮流道的相对均匀速度优化设计方法[16]，将近似模型方法较早的应用于离心透风机'>离心透风机叶轮设计。该方法通过给出流道内气流均匀速度沿均匀流线的设计分布，设计出一组离心风机参数，根据正交性准则，在充分考虑影响叶轮效率因素的基础上，采用正交优化方法进行优化组合，并结合基于流体动力学分析软件的数值模拟，终极成功开发了与全国推广产品9-19同样设计参数和叶轮大小的离心透风机'>离心透风机模型，计算全压效率进步了4%以上。该方法简单易行、公道可靠，得到了很高的设计开发效率。
随着理论研究的不断深进和设计方法的不断进步，对于降低叶轮气动损失、改善叶轮气动性能的措施，进步离心风机效率的研究，将会更好的应用于工程实际中。
2、改善离心透风机内叶轮活动的方法
叶轮是离心风机的心脏，离心风机叶轮的内部活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外形都使其内部活动变成了非常复杂的三维湍流活动。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活动，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[17]。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活动状况，进步叶轮效率，一个重要的研究方向就是采用边界层控制方式进步离心叶轮性能，这也是近年的热门研究方向。
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[18]。该文章对涡流发生器应用于离心叶轮内活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活动,达到进步叶轮性能的效果。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透风机产品不具有竞争力。
采用边界层控制方式进步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透风机叶轮设计中采用是非叶片开缝方法[19-20],铁皮厂房通风降温，该方法采用的串列叶栅技术，综合了是非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，进步效率，而且试验结果表明[20]，该方法可以有效的进步设计和大流量下的风机效率，但对小流量效果不明显。文献[21]用此思想解决了离心叶轮内部积灰的题目。固然串列叶栅技术在离心压缩机叶轮[20]内没有获得效率进步的效果，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。为了进步设计和小流量离心透风机效率，2008年，田华等人提出了叶片开缝技术[22]，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。终极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，且最大尽对速度明显减小的结果。这种方法改善了叶轮内部流场的活动状况，达到了进步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[23]，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题目。通过对离心风机整机的数值试验，发现轮盖开孔后，在设计点四周的风机压力进步了约2％，效率进步了1％以上，小流量时压力进步了1.5％，效率进步了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活动，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，沿叶片表面活动分离区域减小，压力增加更有规律。轮盖开孔方法可以进步设计流量和小流量下的闭式离心叶轮性能和整机性能，假如结合离心叶轮串列叶栅自适应边界层控制技术，有可能全面进步离心叶轮性能。
3、结论
综上所述,近年来对离心透风机'>离心透风机叶轮'>叶轮内部活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，并获得令人满足的结果。目前,对离心透风机'>离心透风机叶轮'>叶轮内部活动的研究还是比较活跃的研究领域之一，笔者以为可在如下方面进行进一步研究：
（1）如何将近似模型方法在透风机方面的应用进行更深进的研究，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透风机叶轮的性能，进步离心风机的效率；
（3）考虑非定常特性的设计方法研究。目前，研究离心透风机叶轮内部的活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活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。
参考文献
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收录时间:2011年03月09日 14:23:23 来源:风机技术网 作者:
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