如（rú）何提高離心（xīn）江西通（tōng）風機葉輪性能？

     葉（yè）輪是風機的核心氣動（dòng）部件，葉輪內部流動的好壞直接決定著整機的性能和效（xiào）率。因（yīn）此國內外學（xué）者為了了解葉輪內部（bù）的真實流動狀況，改進（jìn）葉輪設計以提高葉輪的性能和效率，作了大量的工作。

     為了設計出離心葉輪, 科研工作者們從各種角度來研究氣體（tǐ）在葉輪內的流動規律, 尋求（qiú）較佳的葉輪設（shè）計（jì）方法。較早使用的是一元設計方法[1]，通過大量的統計（jì）數據和理論分析，獲得離心通（tōng）風機各個關鍵截麵（miàn）氣動和結構參數的選擇規律。在一（yī）元方法使（shǐ）用的（de）初（chū）期，可以簡單（dān）地通過（guò）對風機各個關鍵截麵的平（píng）均速度計（jì）算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵（jiàn）參數，而且（qiě）一般葉片（piàn）型線采用簡單的單圓弧成型。這（zhè）種方法非（fēi）常（cháng）粗糙（cāo），設計的風機（jī）性能需要設（shè）計人（rén）員有非常豐（fēng）富（fù）的經驗，有時可以獲得（dé）性能不錯的風機，但是（shì），大部（bù）分情況下，設計的（de）通風機（jī）效率（lǜ）低下。為了改進，研（yán）究人員對葉輪輪蓋的子午麵型（xíng）線采用（yòng）過流斷麵（miàn）的概（gài）念進行設計[2-3] ，如（rú）此設計出來的離（lí）心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧（hú），這種方（fāng）法設計的葉輪雖然比前一種一元設計方（fāng）法效率略有（yǒu）提高，但是該方法設計的（de）風機輪蓋加工（gōng）難（nán）度（dù）大，成本高（gāo），很難用於大型風機和非標風（fēng）機的生產。另外一個重要方麵就是改進葉片設計，對（duì）於二（èr）元葉片的改進（jìn）方法主要為采用等減速方法和等擴（kuò）張度方法等[4]，還（hái）有采用給（gěi）定葉（yè）輪內相對（duì）速度（dù）W沿平均流線m分布[5]的方法。等減速方法從損失的角度（dù）考慮，氣流相對速度在葉（yè）輪流道內（nèi）的流動過程中（zhōng）以同（tóng）一速率均勻變化，能減（jiǎn）少（shǎo）流（liú）動損失，進而（ér）提高葉輪效率；等擴張度方法（fǎ）是（shì）為了避免局（jú）部地區過大的（de）擴張（zhāng）角而提出的方（fāng）法。給定的葉輪內相對速度W沿（yán）平均流線（xiàn）m的分布（bù）是通過控製相對平均流速沿流線m的變化規（guī）律，通過簡單幾何關係，就可以得（dé）到葉片型線沿（yán）半（bàn）徑的（de）分布。以上方法雖（suī）然簡單，但也需要比較複雜（zá）的（de）數值（zhí）計算。
      隨著數值（zhí）計算以（yǐ）及（jí）電子計（jì）算機的高速發展（zhǎn），可以采用加（jiā）複雜（zá）的方法設計離心通風機葉片。苗水淼等運（yùn）用“全可控渦（wō）”概（gài）念[6],建立了一種采用流線曲率法在葉輪流道的子午麵上進行葉輪設（shè）計的設計（jì）方法（fǎ）,該方（fāng）法目前已經推廣至工程界,並（bìng）已經取（qǔ）得了顯（xiǎn）著效果[7]。但是此方（fāng）法（fǎ）中決定葉輪設計成（chéng）功與否的關鍵,即如何給出子午流麵上（shàng）葉片渦（wō）的合理分布。這一方麵需要具有較（jiào）豐富的設（shè）計經驗；另一方麵也需要（yào）在設計過程中對（duì）設（shè）計結果不斷改進以符合葉片渦的分布（bù）規律,以期設計（jì）出的葉輪（lún）機械。對於整個子午麵（miàn）上可控渦（wō）的確定，可以采用（yòng）rCu沿輪盤、輪蓋的給定，可以（yǐ）通過線性插（chā）值的方法確定rCu在整個子午麵上的分布[8-9]，也可以通過（guò）經驗公式（shì）確定可（kě）控（kòng）渦的分布[10]，也（yě）有利用給定（dìng）葉片載荷法[11]設（shè）計離（lí）心（xīn）通風（fēng）機的葉片。以上方法都（dōu）是采用流線曲（qǔ）率法，設（shè）計出（chū）的是三元離心葉（yè）片，對於二元離心通風機葉片還不能直接應用。但數（shù）值計算顯示，離（lí）心通風機的二元葉片內部流動的結（jié）構（gòu）是複雜的三維流動。因此，如何利用三維（wéi）流場計算方法進一步（bù）來設計二元離心葉（yè）輪是提高離心通（tōng）風機設計技術（shù）的關（guān）鍵（jiàn）。
      隨著（zhe）計算（suàn）技術的不（bú）斷發（fā）展，三維粘性流（liú）場計（jì）算獲得了非常大的進步，據（jù）此，有一（yī）些研（yán）究者提出了（le）近似模型方（fāng）法。該（gāi）方法（fǎ）是針對（duì）在工程中采用隨（suí）機類優化方法尋（xún）優時計算量過大的問題，應用統計學的方（fāng）法，提出的一種計算量小、在一些（xiē）程度上可以設計（jì）準確性的方（fāng）法。在近似模（mó）型方法應用於葉輪機械（xiè）氣（qì）動優化設計方麵,國內（nèi）外研究者們已經做了相當一部（bù）分工作[12-14] ,其（qí）中以響應麵和（hé）人工神經（jīng）網絡方法應用居多（duō）。如何（hé）有效地將近似模（mó）型方（fāng）法（fǎ）應用於（yú）多學科、多工況的優（yōu）化問題,並用（yòng）較少的設計（jì）參數覆（fù）蓋的實際（jì）設計（jì）空間,是一個重要（yào）的課題。
   2007年，席光等提出（chū）了（le）近（jìn）似模型方法（fǎ）在葉輪機械（xiè）氣動優化（huà）設計中的應（yīng）用（yòng）[15]。近似模型（xíng）的建（jiàn）立過（guò）程主要包括: （1）選擇試驗設計方（fāng）法並布置樣（yàng）本（běn）點,在樣（yàng）本點上（shàng）產生設計變量和設計目標（biāo）對應的樣（yàng）本數據；（2）選擇模型（xíng）函數來表（biǎo）示上麵的（de）樣本數據；（3）選擇某（mǒu）種方法,用上麵的模型函數（shù）擬合樣本數據，建立近似（sì）模型。以上每一（yī）步選（xuǎn）擇不同的方法（fǎ）或者模型（xíng），就相應產（chǎn）生（shēng）了各種不同的近（jìn）似模型（xíng）方法（fǎ）。該方法（fǎ）不利於準（zhǔn）確地洞察設計量和設計目（mù）標之（zhī）間（jiān）的關係，而且用近似模型來取（qǔ）代（dài）計算費時的評估目標（biāo）函數的計算分析程序，可以為（wéi）工程優（yōu）化設計提供快速的空間探測分析工具（jù），降低了（le）計算（suàn）成本。在氣動優化設計過程中，用該模（mó）型取代耗時的（de）高精度的計算流體動力學分析 ,可以加（jiā）速設計（jì）過（guò）程 ,降低設（shè）計成（chéng）本。基於統計學理論提（tí）出的（de）近似模型（xíng）方法（fǎ），有效地（dì）平（píng）衡了基於計算流體動（dòng）力學（xué）分析的葉輪機械氣動優化（huà）設計中計算成本（běn）和計算精（jīng）度這（zhè）一（yī）對（duì）矛盾。該近似模型（xíng）方（fāng）法在試驗設計方法基礎上，將響應麵方法、Kriging方法和人工神經網絡技術成功地應用於（yú）葉（yè）輪機械部件的優化設計中，在（zài）離心壓縮機葉片（piàn）擴壓器、葉輪和混流泵葉輪設計（jì）等問（wèn）題中得到了成功應用,展（zhǎn）示（shì）了（le）廣闊的工程應用前景（jǐng）。目前，席光課題組已經建立了離心壓縮機部件及水泵（bèng）葉輪的優化設計係（xì）統，並在工程（chéng）設計中發揮了重要（yào）作用（yòng）。
   2008年，李景銀等在近似（sì）模型方法的基礎上提（tí）出了控（kòng）製離心葉輪流道的（de）相對平（píng）均速度優化設計方法[16]，將近（jìn）似模型方法較早的應用於（yú）離心通風（fēng）機葉輪（lún）設計。該方法通過給出（chū）流道內氣流平均（jun1）速度沿平均流（liú）線（xiàn）的設計分（fèn）布，設（shè）計出一組離（lí）心風機（jī）參數（shù），根據正交性準則，在（zài）充（chōng）分考慮影響葉輪效率（lǜ）因（yīn）素的基礎上，采（cǎi）用正交優化（huà）方法（fǎ）進行優化（huà）組合（hé），並結合基於流體動（dòng）力學分析（xī）軟件（jiàn）的數值模擬，成功開發了與我國推廣產品9-19同樣（yàng）設計參數（shù）和葉輪大小（xiǎo）的離心通風機模型，計算全（quán）壓效率（lǜ）提高（gāo）了4%以上。該方（fāng）法簡單易行、合理可靠，得到了很高的（de）設計開（kāi）發效率。

   隨（suí）著理論研究的（de）不（bú）斷深入（rù）和（hé）設計方（fāng）法的不斷提高，對於降低葉輪（lún）氣動損失、改良（liáng）葉（yè）輪（lún）氣（qì）動性能的措施（shī），提高（gāo）離心（xīn）風機效率的（de）研（yán）究，將會較好的應用於工程實際中。
   改良離（lí）心通風機內（nèi）葉（yè）輪流動的方法
   葉輪是（shì）離心風機的（de）心髒（zāng），離心風機葉輪的（de）內部流（liú）動是一個非常複雜（zá）的逆壓過程，葉輪的高（gāo）速（sù）旋轉和葉道複雜（zá）幾何形（xíng）狀都使其內部流（liú）動變成（chéng）了非常複雜的三維湍流流動。由（yóu）於壓差，葉片通（tōng）道（dào）內一般會（huì）存在（zài）葉片壓力麵向吸力麵的二次流動，同時（shí）由於氣流90°轉彎，導（dǎo）致輪盤壓力大於輪蓋壓力也形成了二次流，這（zhè）一般會（huì）導致葉輪的輪（lún）蓋和葉片吸力麵區域（yù）出現低速區甚至分離，形（xíng）成射流—尾跡結構[17]。由於射流（liú）—尾跡結構的（de）存在，導致離心風機效率下降，噪聲增（zēng）大。為了（le）改良（liáng）離心葉（yè）輪內部的流動（dòng）狀況，提高葉輪（lún）效（xiào）率，一個重（chóng）要（yào）的研究方（fāng）向就是采用（yòng）邊（biān）界層控（kòng）製方式提高離心葉輪性能，這也是近年的熱（rè）點研究方向。
  2007年（nián），劉小民等人采用邊（biān）界層主動控製技術在壓縮機進（jìn）氣（qì）段（duàn）選擇性布置渦流發生器，從而改（gǎi）變葉輪處流場, 通過數值計算（suàn）對不同配置參數下離心壓縮機（jī）性能進（jìn）行對（duì）比分（fèn）析[18]。該文章對渦流發生（shēng）器應（yīng）用於離心葉輪內流（liú）動控製的（de）效果進行了初步的（de）驗證和研究, 通過數值分析表（biǎo）明這種方法確實（shí）可（kě）以改良葉輪（lún）內部流動, 達（dá）到提高葉（yè）輪性（xìng）能的（de）效果（guǒ）。但是（shì）該（gāi）主動控（kòng）製技術結構複雜，而且需要外加（jiā）控製設備和能（néng）量，對要（yào）求經濟耐用的離心通風（fēng）機產品（pǐn）不（bú）具（jù）有競爭（zhēng）力。
    采用邊界層控製方式提（tí）高離心葉輪（lún）性能的（de）另外一種方（fāng）法就是采用自適（shì）應邊界層控製技術。1999年，黃東濤等人提出了（le）離（lí）心（xīn）通風機葉輪設計中采用長短葉（yè）片開縫方法[19-20]，該方法采用的串列葉柵（shān）技術（shù），綜合（hé）了長短葉片和邊（biān）界層吹（chuī）氣兩（liǎng）種技術（shù）的優點，利（lì）用邊界層吹氣技術（shù）抑製邊界層的（de）增（zēng）長，提率，而且試驗結果表明[20]，該方法可以（yǐ）有效的（de）提高（gāo）設計和大流（liú）量下（xià）的風（fēng）機（jī）效率，但對小流量效果不明顯（xiǎn）。文獻[21]用此思想（xiǎng）解決了離心葉（yè）輪內部（bù）積灰的（de）問（wèn）題（tí）。雖（suī）然（rán）串列葉柵技術在離心壓縮機葉輪[20]內沒有獲得效率提（tí）高的效果，但從文獻內容（róng）看（kàn），估計是由於該（gāi）文作者主要研究的是串（chuàn）聯葉片的（de）相位（wèi）效（xiào）應，而（ér）沒（méi）有研究串（chuàn）聯葉片的徑（jìng）向位置的變化影響導（dǎo）致的。
    理論（lùn）和試驗都表明，離（lí）心（xīn）葉輪的射流尾（wěi）跡結構（gòu）隨著流量（liàng）減（jiǎn）小加強烈，而且小流量時，尾跡處於（yú）吸力麵（miàn），設計流量時（shí），尾（wěi）跡（jì）處於吸力麵和輪蓋交界處。為了提（tí）高設（shè）計和小流量離心通風機效率，2008年（nián），田華（huá）等人提（tí）出了葉片（piàn）開縫技術[22]，該技術提出在（zài）葉輪輪蓋與葉片之間（jiān）葉片尾部處開縫，引用葉片壓力麵側的高壓氣體吹除吸力麵側的低（dī）速尾跡區，直接給葉輪內的低速流體提供能量（liàng）。得到在設計流量和小流量（liàng）情況下，葉輪開縫後葉片表（biǎo）麵分離區域減小，整個流道速度和葉輪內部（bù）相對速（sù）度（dù）分布加均勻（yún），且較大速度明（míng）顯減小的結果（guǒ）。這種方法改良了葉輪內部流場的（de）流動狀（zhuàng）況，達到了提高離心葉（yè）輪性能和（hé）整（zhěng）機（jī）性能（néng）的效果，而（ér）且所形成的射流（liú）可以吹除（chú）葉片吸力麵（miàn）的積灰，有利於葉輪在（zài）氣固兩相（xiàng）流中工作。
   2008年，李景銀等（děng）人提（tí）出在離心風機輪蓋（gài）上（shàng）靠近（jìn）葉片吸力麵處開（kāi）孔（kǒng）的方法[23]，利用蝸殼內的高（gāo）壓氣體產生射流，從而直接（jiē）給葉輪（lún）內的低（dī）速或分離流（liú）體提供能（néng）量（liàng），以（yǐ）減弱由葉（yè）輪內二次流所導（dǎo）致的射流（liú）-尾跡結構，並可用於消除或解決（jué）部分負荷時,常發（fā）生的（de）離心葉輪的積灰問題。通（tōng）過對離心風機整機的數值試驗，發現（xiàn）輪蓋開孔後（hòu），在設計（jì）點附（fù）近的風機壓力提高了約2％，效率提高（gāo）了1％以（yǐ）上，小流（liú）量時壓（yā）力提高（gāo）了1.5％，效（xiào）率提高（gāo）了2.1％。在（zài）設計（jì）流量和小流量時（shí），由於輪蓋開孔形成（chéng）的射流，可以明顯（xiǎn）改良葉輪出口的分離流動，減小（xiǎo）低速區域，降低葉輪出口處的至高速度和速度（dù）梯度，從而減弱了離心葉輪（lún）出口處的射流（liú）—尾（wěi）跡結構。此外（wài），沿葉片（piàn）表麵流動分（fèn）離（lí）區域減小，壓（yā）力（lì）增加有規律（lǜ）。輪（lún）蓋開孔方法可以提高設計流量和（hé）小（xiǎo）流（liú）量下（xià）的閉式離心葉輪性（xìng）能（néng）和整（zhěng）機性（xìng）能，如果結合離（lí）心（xīn）葉輪串列（liè）葉柵自適應邊界層控製（zhì）技術，有（yǒu）可（kě）能全麵（miàn）提高離心葉輪性能。

3  結論
    綜上所（suǒ）述, 近（jìn）年來對離心通（tōng）風機葉輪內部流動的研究取得了明顯（xiǎn）進（jìn）展, 有些研究成果（guǒ）已經（jīng）應（yīng）用到實際（jì）設計中（zhōng），並獲得令（lìng）人滿意的結果。目前, 對離心通風機（jī）葉輪內部流（liú）動的研（yán）究（jiū）仍是（shì）比較活躍的研究領域之一，筆者認為可在如下方麵進行（háng）進一（yī）步研究：
（1）如何（hé）將近（jìn）似模（mó）型方（fāng）法（fǎ）在通風機方麵的應用進行深入（rù）的研究，結（jié）合已有的葉（yè）片設計技術，探索加（jiā）快（kuài）速的優化（huà）設計方法；
（2）如何將串列（liè）葉柵、輪蓋開孔（kǒng）和葉片開縫（féng）等離心葉（yè）輪自適應（yīng）邊（biān）界層控製（zhì）技術結（jié）合（hé）起（qǐ）來（lái），在全工況範圍內改良離心通風機葉（yè）輪的性能，提高離心風（fēng）機的效率；
（3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心（xīn）通風機葉輪（lún）內部的流動均仍以定常計算為（wéi）主，隨著（zhe）動態試（shì）驗和數值模（mó）擬的發展, 人們對於葉輪機械內部流動（dòng）的非（fēi）定（dìng）常現（xiàn）象（xiàng）及其機（jī）理將（jiāng）越（yuè）來越清楚, 將非定常的研究（jiū）成果應（yīng）用於設計工作中是非常重要（yào）的方麵。