导叶扩压式风机的结构设计及优化

摘要

通风机是工业及日常生活中被广泛应用的叶轮机械。在特定工程应用时，为了利用原动机的轴功，精简流程，节省空间，需要将引风增压集成到设备系统中，有必要设计一套内嵌式的增压风机。传统的蜗壳式离心风机，由于蜗壳径向尺寸相对较大，很难内嵌入空间有限的设备中，且气流出口方向多为切向，不能满足内嵌式风机流场要求。因此，本文提出设计内嵌式增压风机，依据结构特点又称为导叶扩压式风机。
　　文中对叶片式扩压器进行设计及优化，有效减少设备径向尺寸;设计及分析参数化出口导向叶片，改变气流出口方向。通过简化三维模型，对其内部流场及计算结果进行分析，研究了结构参数和操作参数对各个元件及整机性能的影响，结果表明:
　　(1)在小流量、径向尺寸小、大升压、风机出口需要转向的设计要求下，叶轮、叶片式扩压器及出口导向叶片之间的匹配方案是一个很好的尝试，对其进行合理设计，在设计工况下，整机的全压效率为78％，静压效率为77％，经济运行区的流量为0.15kg/s～0.32kg/s，稳定工况区在0.17kg/s以上。
　　(2)风机内部动能和静压能间的能量转化通过两步实现。叶片式扩压器的动能转化率为62％，占总动能的52.7％，大多数能量在其内部实现第一次转化;出口导向叶片动能转化率为85％，占总动能的12.75％，较少数能量在其内部实现第二次转化。整机总体动能转化率为65.45％，能量利用率达到要求。
　　(3)叶片式扩压器对整机性能影响较大的结构参数是扩压器的叶片内外直径、扩压器宽度和叶片包角;出口导向叶片对整机性能影响最大的结构参数是圆弧段包络角。出口导向叶片对整机性能影响较小，叶片式扩压器对整机性能影响很大，合理设计叶片式扩压器是确保整机性能良好的重点。
　　(4)流量改变对导向叶片的动能转化率基本没有影响，但是对叶片扩压器的动能转换率有很大影响:随着流量增加，叶片扩压器的能量转化率单调下降，在小流量范围内变化缓慢，大流量范围内变化急剧。分析结果表明:当流量增加到设计流量的1.4倍时，扩压能力和整机性能明显下降。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 通风机分类

1．1．1 离心通风机

1．1．2 轴流通风机

1．1．3 罗茨式通风机

1．1．4 混流式通风机

1．2 离心通风机的研究方法及发展现状

1．2．1 理论分析法

1．2．2 实验分析法

1．2．3 数值模拟法

1．3 离心通风机简介

1．3．1 离心通风机性能评判主要参数

1．3．2 离心通风机的结构参数

1．3．3 离心通风机叶轮中的相对运动与气流参数

1．3．4 离心通风机的基本方程

1．4 本文主要研究工作

2 风机主体结构确定和气动设计

2．1 设计思想

2．2 叶轮设计

2．2．1 叶片形式及进、出口安装角的选择

2．2．2 叶轮其他参数设计

2．3 叶片扩压器设计

2．3．1 扩压器结构设想

2．3．2 扩压器叶片形式及进出口安装角确定

2．3．3 其他主要参数初步设计

2．3．4 圆弧叶片几何尺寸计算及相关物理参数推导

2．4 本章小结

3 风机主体结构数值模拟及优化设计

3．1 数值模型建立

3．1．1 几何建模

3．1．2 网格划分

3．1．3 控制方程

3．1．4 湍流方程

3．1．5 多重参考系(MRF)模型

3．1．6 边界条件设置

3．1．7 网格无关性检验

3．2 计算结果分析

3．3 扩压器优化设计

3．3．1 叶片包角角度分析

3．3．2 扩压器冲角角度分析

3．3．3 扩压器宽度分析

3．3．4 不同宽度扩压器与流量的匹配问题

3．3．5 叶轮外径与扩压器叶片内径的间隙分析

3．3．6 扩压器叶片外直径大小分析

3．3．7 扩压器优化前后结构参数、性能及流场比较

3．4 本章小结

4 风机出口结构设计及整机性能研究

4．1 结构设计思想

4．2 参数化叶片设计

4．2．1 叶片曲面方程的建立

4．2．2 叶片准线方程的确定

4．2．3 导向叶片参数

4．3 整机模拟及分析

4．4 导向叶片参数变化对整机性能影响

4．4．1 内缘进口角角度分析

4．4．2 叶片个数分析

4．4．3 包络角角度分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢