二级离心风机流场分析及叶轮参数优化设计研究

摘要

离心风机是工业生产中常用的流体机械设备，大约占整个风机市场的50％左右，具有较大的市场规模。自21世纪以来，随着我国工业化步伐的加快，离心风机行业得到了快速的发展，其销售总值年增长率保持在15%~20%左右。本文以某污水处理厂的二级离心风机为研究对象，由于其特殊的工作要求，需要风机出口压力较大。所以，本文旨在提高风机效率的同时获得较高的风机全压，使之更好地满足工作的需求。主要研究内容如下：
　　1、在 Pro/E中建立风机内部流体模型，并建立各个流体域的有限元模型，以试验测试所得到的风机流量—性能曲线为参考依据，通过改变有限元模型的网格划分参数，使得模型在ANSYS-CFX流体仿真分析后得到的结果更能反映风机实际的运行情况，提高仿真的精度。
　　2、对风机叶轮内部的流动情况进行了详细分析，发现原风机的叶道中出现大量的涡流区，这是影响风机性能低下的主要原因。在不同转速条件下风机内部流动特点有所改善，当风机转速比额定工况低时，涡流区域变大；风机转速比额定工况高时，叶道内的涡流区域则相对减少。
　　3、叶轮是离心风机中重要的升压部件，所以本文深入研究了叶轮叶片入口安装角在40°~80°、出口安装角在110°~150°及叶片数在10~18变化下风机性能变化的规律。分析结果表明：叶片的出口安装角比入口安装角对风机性能的影响更加显著，且当叶片入口安装角在55°~75°，叶片出口安装角在125°~145°时，风机能够获得较好的性能。
　　4多级风机具有二个乃至多个叶轮，通过分析发现，当采用不同叶片数目组合时，风机的性能比采用相同叶片个数的风机性能有所提高。因此，将该二级风机的两级叶轮叶片数分别作为独立的结构参数，将叶片入口安装角及出口安装角、第一级及第二级叶轮叶片数作为四个待优化的结构参数，以风机效率和全压为优化目标。将分析得到的风机性能较好时各个参数的范围，利用正交试验法设计样本，并通过BP神经网络建立四个优化参数与风机全压和效率之间的内在关系，然后利用MATLAB中的遗传算法工具箱进行了多目标参数优化设计。优化后的风机全压和效率比原样机分别提高13.49%和6.86%，风机性能得到了很大改善。
　　5、优化后的风机两级叶轮由于采取了不同的叶片个数，考虑到叶轮结构的改变可能会使风机在运行过程中会发生共振现象。对优化后风机叶轮转子系统进行了模态分析并计算了一到四阶临界转速，结果表明，优化后风机转子的临界转速为8495.4r/min以上，远大于风机的额定工作转速2900r/min。因此，优化后风机叶轮转子，会发生共振现象的概率极低。

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第1章 绪论

1.1风机概述

1.2课题研究的背景和意义

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第2章 二级离心风机流场数值模拟基本理论

2.1流体力学发展概况

2.2流体力学基本方程

2.3湍流模型控制方程

2.4近壁面的流动计算

2.5控制方程的离散

2.6本章小结

第3章 二级离心风机基本结构及有限元模型建立

3.1离心风机基本结构及其类型

3.2风机的性能参数

3.3二级离心风机三维模型的建立

3.4计算网格划分

3.5初始边界条件设置

3.6数值计算方法选择

3.7本章小结

第4章 二级离心风机叶轮内部流场分析

4.1 有限元模型的性能分析

4.2标准工况下风机内部流场计算结果分析

4.3不同转速下风机的内部流场计算结果分析

4.4 本章小结

第5章 叶片结构参数对离心风机性能的研究

5.1叶片入口安装角对风机内部流场影响分析

5.2叶片出口安装角对风机内部流场影响分析

5.3叶片数对风机内部流场影响分析

5.4变叶片组数的风机内部流场性能的研究

5.5本章小结

第6章 二级离心风机的叶轮参数优化设计

6.1 引言

6.2 正交试验法

6.3 基于BP神经网络的离心风机性能参数预测模型研究

6.4基于遗传算法的离心风机多目标参数优化设计

6.5离心风机优化前后性能对比

6.6离心风机转子系统模态分析

6.7本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢

附录