小型轴流式风机通流部件优化设计研究

摘要

科学技术的快速发展，拓展了轴流式风机的应用领域，但其所面对的问题更加多元化，对其性能的要求更高。由于风机的工作转速较高，内部流动复杂，设计上的缺陷容易导致风机的效率低下和噪声偏高，研究其内部通流部件的优化设计有助于改善风机的性能。本文通过建立风机的多目标优化数学模型，获得叶轮和后导流器等通流部件的基本设计参数，在此基础上研究了后导流器叶型参数变化对风机性能的影响，得到后导流器较优的叶型参数，实现了动静叶轮参数的良好匹配，有效提高了风机的全压效率，降低了功率和噪声。本文的主要研究内容和成果如下。
　　根据风机各部分的损失，建立以风机的全压效率和声压级为分目标函数的优化模型，确定适合设计变量及其它参数的约束条件，应用ISIGHT的多岛遗传算法，联合Matlab优化计算目标函数，优化后风机的理论性能得到改善，理论计算表明气动损失主要是由叶轮和后导流器引起的。根据优化后的基本设计参数，运用SolidWorks软件对后导流器进行初始设计，完成叶轮等部件的几何建模。
　　研究轴向间隙对风机性能的影响并确定合理的取值，从叶片弦长、叶根安装角、叶片扭转角等方面设计后导流器翼型叶片，通过CFD分析得到优化拉丁方试验设计下的后流器叶型最佳参数组合。对比初始设计的后导流器，使用新设计的后导流器，改善了风机的性能，证明后导流器翼型叶片的设计是有效的。相对于原风机，新设计风机的全压效率提高了14％，轴功率降低了12W。风机内部流场特性的分析表明流动性良好，进一步证明了风机的优化设计是正确的。
　　基于FLUENT的噪声模型预测了风机的声功率与声压级。原风机的模拟结果十分接近试验结果，证明噪声仿真方法是正确的。声功率的分析结果表明叶轮、静导叶前缘区域及旋转区域处的机壳是主要的噪声来源。在设计转速18480rpm下新设计风机的最大噪声值为84.3dB，在原转速18901rpm下的最大噪声值为85.8 dB，均低于原设计风机的噪声，证明各通流部件的设计有利于降低风机噪声。
　　在ANSYS Workbench平台上基于单向流固耦合研究了风机叶轮的强度和动态特性。不同工况下的分析结果表明叶轮的结构应力和变形均小于许用值，其强度和刚度满足工作要求;在许用应力的范围内最高工作转速不应超过21480rpm。通过建立叶轮Campbell图分析了叶轮动态特性，在设计转速下叶轮运行稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轴流式风机优化设计研究

1．2．2 轴流式风机流场和噪声数值模拟研究

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 轴流式风机通流部件主要参数优化

2．1 轴流式风机基本设计理论

2．1．1 轴流式风机一般结构

2．1．2 翼型与叶栅主要参数

2．1．3 叶片等环量设计方法

2．2 轴流式风机主要性能参数

2．3 轴流式风机多目标优化的数学模型

2．3．1 全压效率分目标函数

2．3．2 气动噪声分目标函数

2．4 轴流式风机优化设计实例

2．4．1 ISIGHT优化软件介绍

2．4．2 多岛遗传算法

2．4．3 约束条件分析与确定

2．4．4 优化参数设置

2．4．5 优化计算与结果分析

2．5 通流部件几何建模

2．6 本章小结

第三章 后导流器翼型叶片设计与风机流场特性分析

3．1 计算流体力学基本理论

3．1．1 流体与流动基本概念

3．1．2 流体动力学基本方程

3．2 CFD数值模拟

3．2．1 CFD数值解法

3．2．2 FLUENT软件简介

3．2．3 建立计算域与划分网格

3．2．4 设定边界条件与求解参数

3．2．5 湍流模型的确定

3．3 后导流器结构参数变化对风机性能影响

3．3．1 轴向间隙对风机性能影响

3．3．2 叶片弦长对风机性能影响

3．3．3 叶根安装角对风机性能影响

3．3．4 叶片扭转角对风机性能影响

3．4 采用试验设计的后导流器叶型参数设计

3．4．1 试验设计概述

3．4．2 试验设计方法简介

3．4．3 建立试验数据

3．4．4 试验数据计算与结果分析

3．5 风机内部流场特性分析

3．6 本章小结

第四章 轴流式风机气动噪声模拟预测

4．1 轴流式风机噪声产生的原因

4．2 基于FLUENT的噪声预测模型

4．2．1 FW-H噪声模型

4．2．2 Proudman宽频噪声模型

4．3 气动噪声数值模拟方法

4．4 噪声计算结果与分析

4．4．1 风机噪声源分析

4．4．2 风机声压级计算结果

4．5 本章小结

第五章 基于流固耦合的叶轮有限元分析

5．1 流固耦合基本理论

5．1．1 流固耦合求解方法

5．1．2 流固耦合求解流程

5．2 基于流固耦合的叶轮强度分析

5．2．1 建立流固耦合模型

5．2．2 约束条件与载荷分析

5．2．3 计算结果与分析

5．3 基于流固耦合的叶轮振动分析

5．3．1 叶轮模态分析概述

5．3．2 计算结果与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献