对旋轴流通风机多参数性能匹配及叶片改型设计

摘要

轴流通风机在现在的国民经济中应用十分广泛，在包括隧道、纺织、矿山、建筑等在内的多个领域中均是不可或缺的设备，这也带来了很高的用电量。其中，对旋轴流通风机因为结构紧凑、送风量大，噪音较低，反风性能好等优点，在地铁、隧道、矿井通风中扮演着重要的角色，这也对通风机的性能提出了较高的要求。但是，对旋轴流通风机的内部流动极其复杂，这将造成较大的能量损失，降低通风机的效率。因此，优化通风机结构以提高其效率，对节约资源和提高安全性十分重要。　　本文的研究对象是浙江某通风机厂提供的两级动叶安装角可调的对旋轴流通风机，两级叶片均是由多个不同叶高截面的翼型曲线放样加厚而成的。利用CFD技术，对对旋轴流通风机进行全流场数值模拟计算，主要研究通风机两级叶片安装角和两级叶轮转速与通风机性能的匹配关系。最后通过对通风机叶片的改型以达到提高通风机性能的目标。　　本文的主要研究内容和成果主要分为以下三个部分:　　(1)研究了前级叶片安装角对对旋轴流通风机的性能影响，结果表明:通风机的性能曲线随前级叶片安装角变化平移，最佳全压效率点在一定范围内随安装角的减小而左移;通风机在运行过程中，根据当前工况选择合适的安装角，可以有效提高对旋轴流通风机的整体性能，改善各流动参数在通风机中的分布情况，减少流动损失，扩大工作范围，延迟通风机失速和喘振的发生。　　(2)利用正交优化法，以通风机的全压效率和全压为优化指标，研究了不同工况下前后两级叶轮转速与叶片安装角的最佳匹配关系，结果表明:选择合适的匹配关系，可以使通风机在全工况点始终维持较高性能的工作;与原模型相比，优化后的通风机各流量点的平均全压效率比原通风机相对提高了12.80％，全压提高了24.22％。　　(3)根据工况需求对通风机进行改型，并根据其前级叶片表面压力分布，利用正交试验对叶片进行优化。研究发现:优化后的通风机在设计流量点全压效率提高了0.5％，全压提高了26Pa;通风机前级叶片表面压力分布与叶片顶部的表面载荷分布更加合理，这不仅会减少前级叶轮的叶顶间隙泄漏，使径向速度更小，还会优化该处的涡量与湍动能分布，降低流动损失，从而达到提高通风机全压效率与全压的目的。

目录

声明

摘要

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1对旋轴流通风机的研究现状

1．2．2轴流通风机叶片优化及设计的研究现状

1．2．3正交试验方法在透平机械设计中的应用及研究现状

1．3本文主要研究内容

第二章对旋轴流通风机数值计算方法

2．1计算流体力学(CFD)简介

2．2控制方程及湍流模型

2．2．1控制方程

2．2．2湍流模型

2．3通风机定律

2．4对旋轴流通风机的数值模拟

2．4．1计算模型及计算域的组成

2．4．2网格的划分及无关性验证

2．4．3数值方法和边界条件

第三章前级叶片安装角对对旋轴流通风机的性能影响

3．1整体性能分析

3．2叶片表面静压分析

3．3叶轮出口静压分析

3．4叶轮出口速度分析

3．5叶轮出口湍动能分析

3．6叶轮出口涡量分析

3．7本章小结

第四章对旋轴流通风机变转速与变安装角匹配性能研究

4．1正交优化设计

4．2正交设计结果分析

4．2．1极差分析

4．2．2优化前后通风机整体性能分析

4．3流场分析

4．3．1速度分析

4．3．2压力分析

4．3．3涡量分析

4．4本章小结

第五章对旋轴流通风机叶片优化设计及性能分析

5．1对旋轴流通风机的改型

5．2计算结果分析与优化

5．2．1计算结果分析

5．2．2正交优化设计

5．3优化模型计算结果对比分析与讨论

5．3．1整体性能分析

5．3．2叶片表面压力与载荷分析

5．3．3压升分析

5．3．4速度与涡量分析

5．3．5湍动能分析

5．4本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢