三元流动理论在高压离心风机设计方案中应用

三元流动理论在高压离心风机设计中的应用林业机械与木工设备设计计算林林业业机机械械与与木木工工设设备备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备 林业机械与木工设备林业机械与木工设备 林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林林业业机机械械与与木木工工设设备备三元流动理论在高压离心风机设计中的应用王振东(哈尔滨林业机械研究所，黑龙江哈尔滨 150086)摘要：通过对一些林业机械用高压小比转数离心风机结构特 点及其气动损失的分析，提出了改进风机叶轮结构的措施。依据三元流动理论，采用变分有限元法对叶轮叶 道内的流场进行了计算，从理论上分析所采取措施的正确性，并通过试验进行了验证。关键词：离心风机；叶片；气动损失；三元流动中图分类号：文献标识码：文章编号:()TH112A1001-4462 200408-0021-03离心风机作为一种通用机械，应用领域非常广泛。有限数目叶片的叶轮中流动，叶片又具有一定厚度，所其在林业机械中也得到了大量应用，如常用的弥雾喷 以气体在叶轮内流动时必然会产生能量损失。其损失粉机、风力灭火机、气力播种机，及其它清扫和木材综 主要有 叶轮 叶道内的摩擦损失、接近 叶轮出口处的边合利用设备等。由于林业机械作业对象和对机具性能 界层分离损失和叶轮入口处的冲击损失。的要求，在弥雾喷粉机、风力灭火机、气力播种机上所 由于叶道的宽度是随着叶片数变化的，叶片数多，气使用的风机均系高压小比转数离心风机。体与叶轮接触面积增加，故而气体在叶轮中的分离损失减根据一般的设计规范，这类风机叶轮宽度相对很窄，小，但摩擦损失增大。反之分离损失增大，摩擦损失减小。而且叶片数又较多，为获得高压，叶片均系前向。这样，在 另外，叶片数的增加，也会使叶轮入口处的冲击损失增加。叶轮进口处阻塞 比较严重，入口冲击损失和摩擦损失较 由此可知，叶片数对 叶轮的能量损失起着重要作大，分离损失也较严重。针对这一特点，在设计上述用途 用，减少冲击损失和摩擦损失与减少分离损失是相互矛的离心风机时，应考虑其结构特点和内部流动特性，进行 盾的。尤其是对高压小比转数风机叶轮，其宽度较窄、叶合理设计，以期得到性能满足设计要求的高效风机。片数较多，叶轮的气动损失比较大，造成风机效率低。1.2改进措施1风机叶轮气动损失分析由于叶轮内气 体流动的复杂性和测试困难，目前1.1 气动损失分析还没有建立起叶片数和三种气动损失之间的数学模离心风机在实际工作中，由于气体具有黏性，且在型，无法采用最优化计算方法确定叶片数。所以我们在收稿日期：叶片结构上采取措施以减少气动损失，提出采用长、短2004-01-132003年10月，由国家林业局哈尔滨林业机械研究3500kg樟子松球果经干燥后出种量为70kg,达到所研制的该设备在大兴安岭加格达奇营林局技术推广了 50kg球果出1kg种子的比率，比自然晾晒提高近一站安装， 年 月对该设备进行了调试验收，总烘干倍（原自然晾晒为每球果出 种子）。现2004 450kg0.40.6kg量为3500kg樟子松球果，干燥周期为5天，球果开裂程 在市场上樟子松种子的价格大约为600元/kg，这样就度达到99%。随后进行了种子成活实验，成活率达到 大大提高了经济效益。98%。实验表明，新型热源加热效率极高，最高可使干燥 该设备干燥周期短，热效率高，除可进行林木球果间内温度达到75C，并彻底杜绝了火险隐患。由计算机调制外，还可为当地的林副产品服务，例如木耳、磨姑自动控制干燥间内温湿度，误差小，效率高。采用层架 和山野菜的烘干，只需在干燥工艺上作一些调整即可，式结构装卸方便，球果受热均匀，开裂一致。这为地方经济的发展带来了很大的效益空间。21第32卷2004年第8期Page 2设计计算林业机械与木工设备林业机械 与木工设备林业机械与木工设备林业机械林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械与木工设备与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备林业机械 与木工设备与木工设备林业机械 与木工设备林林业业机机械械与与木木工工设设备备叶片相结合并适当增加叶片数的方法。普通离心风机叶轮的叶片都一样长，如果为减少分离损失而增加叶片数势必使叶轮入口阻塞严重，使冲击和摩擦损失增加。但如果在增加叶片数的同时，将部分叶片的前端截去，成为短叶片，这样就能减轻叶片入口阻塞，减少冲击和摩擦损失。而且在叶轮出口处叶片数又较多，减少了分离损失。可见，采用长、短叶片相结合的形式可以解决前面提出的矛盾和问题。根据上面提出的措施，设计试验了三种形式叶轮，图2 S1流面求解域示意图其结构示意图见图1。一是依据设计要求，按照一般的设计方法设计了普通长叶片的叶轮1，叶片数为12；二量纲气动方程组：是保持叶轮1的其它参数不变，将其叶片一半变成短？(T Y p wl ) + ?(T p w )=0叶片，一半仍为长叶片，长、短相间隔，得到叶轮2；三是？ l ? l( 将叶轮1的叶片适当增加到16,并把叶片设计成一半? wl + w +wl Y =0为短叶片，一半为长叶片，得到叶轮3。三个叶轮的叶片？ e ? l12 2 m#!都是由三段圆弧组成，以保持叶道为等当量扩张角。由p = 1- (w -u )$ 2m %于所设计的风机是高压离心风机，所以叶片为前向。下#!式中：、 分别表示、和声速的面利用三元流动理论对三种形式叶轮内部流场进行计 wl w u p wl w u p比值， （）为气体绝热指数，、分别为气体的算，从理论上分析改进措施的合理性。m=1/ k-1w u相对速度和叶轮的圆周速度，和分别表示 流面T PS1厚度和半径。对具体叶轮取一个叶片间距作为求解域，上面的气动方程组定解问题与一个有条件的变分问题等价。变分()为：J* e()()J* e = G 入 e + t q e ds叶轮1叶轮2& 1d(n n prA c +c + C13 liI=1G = t y 1- 1 ? e 2+ ? e 2/y 2-2u ? e /y mk$)*)*)* *%1 k + 2m ?入？ e ? e ,式中：为无量纲 势函数，（）为给定密流。eqn pr依据上面的公式，用FORTRAN语言编制了有限元计算程序。通过计算得到叶片吸力面和压力面相对速叶轮3度分布，见图3。图1试验叶轮结构示意图从三个叶轮的相对速度分布曲线看，叶轮1吸力面和压力面速度差最 大，叶轮2次之，叶轮3最小。2叶轮内部三元流动的变分有限元分析平均相对速度变化趋势是：对叶轮1，从进口到出应用三元流动理论和变分原理，对叶轮、的 口整个过程都是减速的；对叶轮2,进口处先减速，中间1 2 3 S1流面进行有限元计算。由于实际设计的叶轮进、出口宽度基本保持不变，出口处稍减速；对叶轮3,进口处先减相对叶轮直径很小，在计算时，假定S1流面是不同半径 速，中间不变，出口处稍加速。下面依据计算结果对三处叶道宽度的中点连线绕轴线旋转而成，所以S1流面为 个叶轮性能加以分析。一旋转面，流面的厚度随半径变化，其值等于叶道宽度。由于叶轮1的叶片吸力面与压力面相对速度差较对图2所示的坐标系，当气体在以等角速度旋转大，故其内部气流速度分布梯度大，速度不均匀现象较的叶轮内流动时，气体在S1流面上的流动满足下面无 其它叶轮严重，而速度越不均匀，分离损失越大。所以222004年第8期第32卷Page 3林业机械与木工设备设计计算林业机械与木工设备林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备 林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林业机械与木工设备林林业业机机械械与与木木工工设设备备流动状态，从而使出 口段的气体分离情况得到改善，减少了分离损失。通过上面的对比分析可知，在不增加叶片数的情况下，采用长、短叶片结构，虽然能改善进口段和中间段平均相对速度的变化趋势，使气体分离点向后移，但出口段流动情况基本没有得到改善。若采用长、短叶片后再适当增加叶片数，如叶轮3,则可使叶道内的平均相对速度变为一种先减速、然后基本不变、最后稍呈加速这样一种合理的分布形式。据此可以预测叶轮3的性能应优于其它两个叶轮。下面通过试验对理论分析的结果进行验证。3试验结果及分析用同一蜗壳对设计的三个叶轮进行了出气性能试验。通过试验可知叶轮3在压力、流量、效率等性能上都比其它两个叶轮好，叶轮1的性能最差。另外，叶轮2和叶轮3的压力一流量曲线比较平坦，使风机有效工作区域变宽，这也是叶 轮内部气体流动得到改善的结果。对比理论分析和试验结果可以看出，二者是相吻合的，表明了理论分 析的正确性。4结论根据前面的理论分析和试验结果，可以得到下面两点结论。将三元流动理 论应用于风机叶轮内部流动特性图3试验叶轮相对速度分布曲线分析，采用有限元法对叶轮内部流场进行计算求出相对速度分布形式，据 此预测所设计叶轮的气动性能是从速度分布不均匀引起损失看，叶轮1较其它两个叶可行的，并减少了试 验的工作量。轮严重，叶轮3最小。对高压小比转数离心风机，在叶轮结构上采用从平均相对速度的变化趋势看，由于叶轮1的平长、短叶片并适当增加叶片数，能够改变叶道内气体相均相对速度是一种减速结构，叶道内气体始终是处于对速度的分布形式，减少气动损失，提高风机性能。另逆压梯度流动状态，也即自叶轮进口至出口气流的静夕卜，还使压力一流量 曲线变得比较平坦，扩大了风机的压逐渐增加。这样就易使气流分离，产生气动损失。有效工作区域。叶轮2的平均相对速度表明，气流在进口区域迅速减速获得静压能后，在中间一段内静压基本保持不变，气体在接近零压梯度状态下流动，使气流在这一区域内的分离情况得到改善；在出口段平均相对速度呈下降趋势，气体处于逆压梯度流动，故出口处的气体分离情况没有明显改善。叶轮3的平均相对速度与前两个叶轮相比，在进口和中间段与叶轮2相似，但在出口段却呈上升趋势，见图3。这表明在出口段，叶道内气体处于正压力梯度23第32卷2004年第8期