（工程热物理专业论文）中低压轴流通风机的最优流型气动设计方法.pdf

东北走擘硕士学位论文摘要 中低压轴流通风机最优流型气动优化方法 摘要 本文采用最优化理论和数值计算方法，应用v b 高级语言与e x c e l 电子表格相 结合，进行中低压轴流通风机的最优化流型气动优化设计计算。在给定轴流通风机 设计工况下的压力、流量和初选不同电动机转速以及级型式的情况下，计算出通风 机的比转数，确定通风机的轮毂比，选定流量系数、压力系数和通风机的全压效率。 计算出通风机的外径并进行合理的圆整。在进行经济技术性分析后，最终确定风机 的设计方案，进而确定通风机适当的级型式、叶轮尺寸、轮毂比、转速和叶片数等 基本参数。运用孤立翼型和叶栅叶型相结合的理论，在保证通风机结构参数不变的 情况下，通过改变变环囊指数来调蕤叶片的扭曲规律，进行变环量流型的优化设气 动设计计算，进而找到通风机设计工况下的效率最高点。一般认为，通风机在最高 效率点运行时，噪声也比较低。优化计算结束要进行效率验算并给出所配电动机的 裂号和规格。 在第四章的试验验证部分，将优化设计计算结果与实际定型生产风机的主要参 数( 如效率、功率等) 进行比较，验证算法的准确性和优越性，并据此优化设计汁 算程序，给出一个设计计算实例。 最后，根据最优的气动计算结果，绘制出通风机的叶片图和叶型图。 关键词：流型优化；孤立翼型；变环量；扭曲规律 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c l f l o wt y p eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do f m i d d i n ga n dl o w p r e s s u r ea x i a lf l o wf a n a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tm i d d i n ga n dl o wp r e s s u r ea x i a lf a n sp n e u m a t i co p t i m i z a t i o n d e s i g na d o p t so p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dw i t hv i s u a lb a s i c p r o g r a ma n de x c e l i nt h ec ：t t s eo fp r e s e n td e s i g np r e s s u r e 、v o l u m ef l o wr a t e 、d i f f e r e n t r o t a t es p e e da n ds t a g et y p e ，h e reg i v e st h ec a l c u l a t i o nr e s u l to f s p e c i f i cs p e e d 、h u br a t i o 、 v o l u m ef l o wr a t ec o e f f i c i e n t 、p r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n dt h et o t a lp r e s s u r ee f f i c i e n c y h e r e b y t h ei m p e l l e rd i a m e t e rc a r lb ef i g u r e do u t t h e n ，h e r eg i v e st h es t a n d a r di m p e l l e rd i a m e t e r a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t f i n a ld e s i g ns c h e m ei sc o n f i r m e da l t e re c o n o m i ca n d t e c h n i c a la n a l y s e t h e n a x i a lf a n ss t a g et y p e 、i m p e l l e rd i a m e t e r 、h u br a t i o 、s p e c i f i c s p e e da n dt h en u m b e ro fb l a d e s a r ed e c i d e d b ye h 曲g i n gt h ea r b i t r a r yv e r t e xf l o w e x p o n e n tt oa d j u s tt h et w i s tr u l eo fb l a d e si nt h ec a s eo ff a n ss t r u c t u r ep a r a m e t e ri s c o n s t a n t ，i nw h i c hh e r ea d o p t si s o l a t e da e r o f o i la n da e r o f o i la r r a yt h e o r y t h u s ，w ec a r l f r e do u tt h em a x i m u me f f i c i e n c yp o i n t g e n e r a l l y ，t h en o i s ei st h el o w e s tw h e na x i a lf a n i sr u n n i n ga tt h em a x i m u me f f i c i e n c yp o i m a l s o ，a ne f f i c i e n c yc h e c kc o m p u t a t i o n si s n e c e s s a r ya f t e rt h eo p t i r n i z a t i o nc a l c u l a t i o n i nc h a p t e r4 ，1 t 1 1e x p e r i m e n t a lt e s ti sc a r r i e do u tt oc h e c kt h ev e r a c i t ya n da d v e n t a g e o f t h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o np r o g r a m ，w h e r et h e r ei sac o m p a r ea b o u te f f i c i e n c y 、p o w e r b e t w e e nt h ed e s i g n e df a na n dt h ec a s e - h a r d e n e df a n t h e n ap r a c t i c a lf a nd e s i g ni s p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o np r o g r a m f i n a l l y ，t h ep a p e rg i v e st h em a i nm o t o r ss p e ca n dt y p e ，a n dt h ed r a w i n go ft h e o p t i m i z a t i o na x i a lf a na c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t _ k e yw o r d s ：p n e u m a t i co p t i m i z a t i o n ；i s o l a t e da e r o f o i l ；a r b i l r a r yv e r t e xf l o w ；t w i s tr u l e 一一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 轴流通风机概述 第一章绪论 1 1 1 轴流通风机的发展历史 轴流通风机最早出现于1 9 世纪中叶，以其通流范围大、全风压范围宽、尺寸小 和驱动功率要求不高的特点而广泛应用于国民经济各个行业的一种通用机械。普遍 应用于空气调节、机械烘干冷却、谷物粉末输送、锅炉引风、矿井通风、船舶、气 体输送、地铁通风、纺织厂通风、防腐防爆和般通风等石油、化工、动力、冶金、 采矿及国防等工业部门。 轴流通风机的发展历史，经历了三个主要阶段【l 】： 第一个阶段：1 9 世纪中叶。由于受科学研究水平和工业生产水平的限制，许多 试验未达到预期的效果，主要是效率太低，实用价值不大，故未能真正得到应用。 第二个阶段：2 0 世纪初期。由于航空工业的飞速发展，有关风机的理论袒试验 研究的工作的开展，以及气体动力学方面许多理论工作上的突破，对改善风机的性 能和完善设计方法起到了巨大的促进作用。 第三个阶段：自2 0 世纪6 0 年代至今。由于测试手段的现代化及电子诩算机技 术的发展，又迸一步使通风枫的理论研究、试验及设计工作曰臻完善。 1 。1 2 轴流通风机的分类 通风机是风机( 通风机、鼓风机和压缩机) 的一种，在风机中，通风机压力最 低，排气绝对压力一般低于1 1 2 7 x 1 0 4 p a t s 。轴流通风机是各类通风机中的种， 一般按产生的升压、用途和叶轮数目不同进行分类。 1 1 2 1 按产生的升压分类 低压轴流通风机：全压一般为：5 0 0p a 以下； 高压轴流通风机：全压一般为： ( 5 0 0 1 5 0 0 0 ) p a 。 1 1 2 2 按使用用途和场合分类 轴流通风机按使用用途和场合分为：引风机、摔尘风机、消防排烟风机、烧结 风机、纺织凤机、矿井主轴流通风机、矿井局部轴流通风机、地铁轴流通风机、隧 道轴流通风机、冷却轴流通风机、防爆屋顶轴流通风极、防爆轴流通风机、冷却循 环轴流通风机和可变节距电站轴流通风机等孤。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 3 按叶轮数目不同分类 单级轴流通风机：通风机只有一个叶轮。 多级轴流通风机：通风机在同一轴上串联两个以上叶轮。 】1 3 轴流通风机的主要研究方向和产品“三化” 从透平机械的发展方向看，轴流通风机的主要目标是提高其经济性、可靠性和 实用性，主要发展趋势是： ( 1 ) 高效化。由于通风机耗电量大，是各种工业设备中的主要耗能装嚣，目前圈 内外节能呼声日益高涨，提高通风机效率以提高其经济性是具有重大意义的现实问 题。 ( 2 ) 高压化。对于轴流通风机，如何提高其压力，也是今后的主要问题之。 ( 3 ) 低噪音化。通风桃的噪声较大，直接影响到人们的工作、生活和健康，近年 来越来越引起人们的重视。噪音水平的高低已成为衡量通风机性能好坏的一项重要 经济指标。 ( 4 ) 高速小型化。转速提高一倍，级数就可减少一半；另外，采用三元流动设计， 可以使轴流通风机在提高效率的同时，叶轮外径可减少1 0 3 0 ，这样就取得缩 小体积和减轻重量的明显效果，为轴流通风机减小外形尺寸、减轻重量、节省材料、 方便维修等都带来了十分明显的经济效益。 轴流通风机应用面广泛，品种繁多，要最大限度的满足用户的需要，同时又要 尽可能减少品种，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，这就对轴流通风机提 出“三化”要求，即系列化、通用化和标准化。这不但是节省人力、物力和缩短设 计与制造周期的一种先进工业生产管理方法，而且能集中力量，研究少最的基本叶 型、叶轮与元件，提高通风机效率与各种性能，以更快地、有效地提高通风机质量 和发展新产品。 1 2 课题背景 t 2 1 中国能源及利用现状 1 2 1 1 人均能源拥有量和储备量低 我国能源相对稀缺，商品能源人均消耗量为8 0 0 k g 标准煤，仅为世界平均值的 t 3 。尽管今后的能源开发将增加我国的能源储藏量，然而如果仅依靠国内资源，不 能从根本上解决问题。自1 9 8 0 年以来，我国经济的快速增长导致了对煤炭资源需求 的增加。尽管保持了大规模水电开发，但水电占初级能源的比例却下降了。国内有 限的石油资源被优先用于交通和化工工业，许多燃油电厂在8 0 年代改为燃煤。我国 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 从1 9 9 3 年起成为石油净进口国。目前，天然气只占我国能源供应的极小部分。 1 2 1 2 能源利用效率低 目前，在我国能源相对短缺的情况下，各主要工业部门的能源效率却很低。我 国的工业锅炉的能源效率仅为西方发达国家的8 0 ：钢铁、冶炼行业的能耗是蕊方 发达国家的2 倍；鼓风杌及水泵的能源利用也仅为国际水平的8 5 ；国产电动机在 产生相同动力的情况下，其电力消耗量比国际水平高5 一1 0 。 此外，中国也是世界上的单位能耗最离的国家之。1 9 9 5 年我国的能源强度是 美国的4 倍左右。工业在我国经济中的作用大于日本和美国，丽我国的工业仍过分 依赖予低效率、小规模的生产方式，虽能源技术，特别是能源密集型产业和主要能 源消耗设备的效率还远远落后于西方工业化国家。按目前的趋势发展，我国的能源 强度到2 0 2 0 年将达到每l o o o 美元国内生产总值消耗0 5 8 6 t e e ，虽与1 9 9 5 年相比降 低了3 倍，但仍比目前的美国的水平高4 0 。由此可见，我国在降低能耗强度方面 仍大有潜力。 有关资料显示，鼓风机和泵的能源消耗比例占煤炭消耗量的3 0 。目前我国 风机、水泵装机总功率达到1 1 亿千瓦，年耗电量约占全国电力消费总量的3 0 。 风机广泛应用于国民经济的各个行业及人们的目常生活中。全国各类风机使用基约 2 1 0 0 万台，耗电量约占全国总用电量的1 2 ，我国风机技术水平较国外发达国家差 距较大，特别是效率太低。例如某市纺织工业系统抽试1 4 0 台风机，其平均效率为 4 5 9 ；某机床厂的9 2 台风机平均效率为5 1 ，最低的仅有1 8 。据有关资料估计， 我国风机的实际运行效率比发达国家约低3 0 以上，每年浪费电力在1 0 0 亿度以上， 节能潜力非常大。目前。中国风机的平均效率水平是7 5 ，经济合作与发展组织的 发达国家的效率水平在8 5 以上。 1 2 2 风机节能的现状和进展 目前，国内风机节能研究中，哈尔滨工业大学的丛壮远等，使用液力偶合器调 节泵与风机流量，进而达到风机的节能【4 】。相关的研究，在文献【5 】中也有对应的阐 述。 还有的学者指出，矿用轴流式风机效率极低的最根本原因是设备与网路不匹配， 局部改造的主要途径是把高压叶列系统改为中低压叶列系统。大部分矿井都可由双 级运行改为单级运行，个别矿井可通过修改中导叶降压【6 】。 此外，有的学者从风机系统整体运行上进行考虑，如陕西鼓风机厂的张保鑫所 作的风机控制节能技术1 7 1 。而有的学者则是从局部进行考虑【8 1 。 近些年来，变频调速技术被广泛应用于风机的节能研究中【9 ，1 0 , 11 】。这项技术在工 业加热炉、工业锅炉以及矿井主扇通风机中，都有广泛的应用。 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 其他，诸如变速控制风量节能、锅炉引风机风量调节节能，和取代罗茨风机的 高压离心节能风机的水泥机械立窑新型送风系统研究以及液粘传动技术在风机节能 中的应用等等，详见文献 1 2 , 1 3 】 1 3 国内外风机优化设计回顾 目前，国内外学者所作的通风机优化设计研究主要是流型的优化、结构参数优 化以及噪声的优化。此外，也有的做通风机其他部分的结构参数优化的研究。 有些学者在对低压轴流通风机级效率计算公式分析的基础上，考虑到叶轮内损 失沿径向分布的不均匀性，应用最优化理论，提出了低压轴流通风机最优流型的数 值计算方法，并将最优流型与常用流型进行性能比较【1 4 】。 而有些学者，如王学军，聂能光等提出了叶栅叶型背弧上最优流速分布的数值 计算方法【l “。有些学者则在采用“s ”型中弧线新型翼型的基础上，提出了一种以：【 作叶轮效率最高为耳标，环量梯度为控制度量，同时考虑到各种气动约束的最优控 制优化模型，并用该优化方法设计了变功流型的双向轴流风机，设计效率与试验值 。一致，比常规等环量流型效率高4 左右【i 。h 。同时为了适合矿井通风的需要，有些 学者进行了后导叶橱的优化，有些学者提出子午加速轴流风机，进行了优化设计研 究 1 8 , 1 9 , 2 0 】。 风机的降噪，是风机优化的重要方面。尤其是空调等对噪音有很高要求的行、舭 和作业环境中，噪音的降低，是其追求的主要目标。有些是编制风机优化设计软件 来降低噪声【2 ”。针对工业无氟空调机对噪声的要求，有些学者进行了噪声的优化设 计。根据t f u k a n 提出的低压轴流风机声功率模型，分析影响噪声及气动性能的主 要参数，提出相应的最优控制约束条件，并建立以组合流型参数为控制变量，以声 功率为目标函数的气动优化设计数学模型f 2 2 】。离心风机的噪声优化设计主要是针对 低比转速离心风机的主要噪声源的离散噪声进行的哪! 。 以三元流动通用理论为基础，论述了流线曲率法在离心风机三元设计中的应用， 同时依据离心叶轮的进、出口流动状态，子午面压力平衡原则，回转丽叶片加载规 律，详细论述了离心叶轮的几何参数优化准则，子午面和回转丽通道的成型准则 2 。 国外学者中，k a h a n e ，a 在文献 2 5 中，进行了轴流风机的三元流动优化设计， 国内周笃离导出了低压轴流风机性能优化及特性数值计算的数学模型，建立了相应 的优化过程及工程计算方法，为开展矿用风机的c a d 及c a t 进行了部分基础性： 作。 s o r e n s e n ，d n ，a n ds g r e n s e n , j n 则进行了风机的数值模拟优化计算。但通风机 的气动计算复杂，有些情况下，计算机算法很难实现和处理。国内有的学者，尝试 用电子表格处理风机的优化问题，取得了很好的结果，具有很好的经济性【2 6 07 1 “j 。 在文献 2 9 中，瑞典的s a r e n s e n 等人，进行风机优化设计时，轴流通风枫的效 察是在设计的区间流量上而不是在设计点上来考虑的。这就使得设计的通风枫在各 一d 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 种工况下运行良好。这个优化的最大优点是襁对于流量区段而提出的优化设计。 w a l l i s 在文献 3 0 这篇文章中，研究了一个有进口导流器的轴流通风机妁级装 置。该处考虑的系统就是自由涡流流动类型并且有一些重要的参数，比如升压比率 ( 1 i f t - t o - d r a g ) 被确定为某些合理的值。这就导出了一个包含叶顶速度比( 邱s p e e d r a t i o ) ，轮毅比和下游损失在肉的效率和总压方程式。这样，含有3 个变量的有关 于总压和效率的方程就给出了。 最近，d u g a oe ta 1 在文献 3 1 中提出了一个矿用轴流通风机的数值通风优化方 法。采用一个自由涡流流动方法，当和已有的同类装置比较时，有着比较可观的效 率提高。另外，作为一个附带的优点，它还被认为降低了噪声。 通风机在固定的流量和压升情况下运行效果很好，比如在个预先给定的设计 值情况下。在其他工况下运行的情况并没有被考虑到，并且也可以预见到在其他工 况下运行将偏离很多。实际上，通风机经常偏离设计工况点很远而使通风机的效率 很低 3 2 。 除了上述优化设计外，文献 3 3 3 一 3 6 中的国内很多学者还进行了风机其他方面 的优化设计，如锅炉引风机进气箱的优化设计，高炉与风机配鼙的优化，将二维n s 方程流场分析程序和序列二次规划结合起来，发展了一种轴流通风机翼型设计 方法，用以提高翼型的气动性能，达到节能目的等。 1 4 本文任务 在上述背景下，目前国内和国际的风机设计者们，均由原来传统的设计方法向 以与最优化相结台这样的设计方法上转变。 但是，厦前国内并没有有关r 十s 级轴流通风枫最优流型的气动设计计算方法方 面的相关文献发表，本文进行的中低压轴流通风机气动优化设计，是r + s 级轴流通 风机最优流型的气动设计计算方法豹初次尝试。在通风机结构参数确定，即不改变 通风机结构参数的条件下，应用最优化理论和数值计算方法，在满足通风机设计参 数的条件下，通过寻找通风机的最高工作效率，来优化设计轴流通风机各叶片级的 流型。这里，工作效率就是目标函数，寻找目标函数过程要在通风机的众多约束条 件下进行，一般包括通风机的全压、流量、扩压因予、叶顶圆周速度以及强度、噪 声等约束条件。以此，确定最大效率点情况下的风机的流型参数，也就完成了对轴 流风机的气动优化设计。 1 5 意义和可行性 从上面的回顾中可以看出，以变环量指数口为优化变量，进行单叶轮加后导流 器级的轴流通风机流型气动优化设计计算的，目前还没有这方面的研究。本文就是 从这个方面着手，尝试带有君导流器的轴流通风机的流型气动优化设计。 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 意义：社会层面上，在能源紧张的情况下，提高风机的效率以提高能源利用率 更好的利用能源和节约能源。企业层面上，可以创造更大的经济效益。 可行性：从效率表达式看，变环量流型采用血。r “= = 常数，在算法中进行推导 级效率的表达式时，可以将各项求出精确的解析表达式。轴向速度c 。与叶片半径之 间的函数关系可以通过简单径向平衡方程求得，这个在有的文献中有提及。所以， 可以把目标函数化成单变量的函数。约束条件经过化简和运算，也能化成叶片半径 r 的函数。这样，这个问题就转化成是单变量的非线性的单目标函数的优化问题， 在数学上可解。算法和程序上，亦可以实现。 】6 论文的主要工作内容安排 本文主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章，绪论。对风机的发展和分类以及目前国内风机最优化设计进展等，作 一下简介。 第二章，轴流通风机基本理论。在这一章节里，将较详细地介绍通风机的结构 和主要部分的作用、轴流通风机主要性能参数和叶轮主要结梅参数、轴流通风机翼 型和叶栅主要几何参数及气流参数以及常用的翼型、气流在级中的流动、由径向平 衡方程推出的速度计算以及叶片扭曲规律、孤立翼型理论和直列叶栅理论。风机设 计过程中用到的参数和公式。 第三章，轴流通风机的优化气动设计模型和求解部分。在孤立翼型理论和直列 叶栅理论基础之上，进行中低压轴流通风机流型的最优气动设计。通过调节变环量 设计指数，在通风机结构参数不变的情况下，以及满足风机全压、流量、扩骶因子 以及叶顶圆周速度等约束条件下，来寻找轴流通风机最大效率。进而确定定结构参 数条件下的最优风机，给出风机主要设计参数及叶片图和叶型图，并对风机进行效 率验算。 第四章，结果分析和试验验证。将采用本文优化设计计算方法设计出的风机与 实际生产运行中的风枫进行试验对比验证，检验优化设计算法的准确性。 第五章，结论和展望部分。对本文优化设计计算出的结果做一下总结，给出绐 论，并展望进一步的计算和研究。 最后，是参考文献和致谢部分。 东北大擘硕士学位论文 第二章轴流通风机基本理论 第二章轴流通风机空气动力理论 轴流通风机是透平( t u r b i n e ) 机械的一种，通过叶片把机械能转化成流体的压 能。气流轴f 龟进入通风机叶轮后，近似地在圆柱形表面上沿轴向流动。本章将从通 风机的结构参数、气流参数和气动理论等几个方面，对轴流通风机的基本理论作 下阐述。 2 1 轴流通风机典型结构 图2 1 是单级轴流通风机的典型结构简图。由p + r + s 组成一个完整的级。气流 经过级中的流动，在大多数情况下，可以看作是在圆柱面上的流动。 图2 1 轴流通风机结构示意图 卜集流器2 一流线罩3 一前导流器( n 4 - 叶轮( 肪 5 - 后导流器( s ) f i 9 2 1 s k e t c hm a po f a x i a lf l o wf a ns t r u c t a t r c 1 一c o l l e c t o r 2 - f a i r i n g3 - = p r e c e d i n g g u i d e v a n e ( p ) 4 - r o t o r5 一b a c k g u i d e v a n e ( s ) 通风机叶轮4 装在圆形机壳内，可与电动机轴真联，也可用电动机通过皮带来 驱动。叶轮的叶片有机翼型、圆弧板型等多种，叶片从根部到叶顶常是扭曲的，有 些叶片的安装角是可以调整的，调整叶片安装角能改变通风机的风量和风压。叶片 是通风机内向气流传递能量的唯部件，并与轴一起组成了通风机的回转部件，通 常称之为转子。 前导流器3 的作用是使气流在叶轮入口产生负旋绕，以提高风机垒压；此外， 前导流器的叶片常做成可绕自己轴线转动的，通过改变叶片安装角度可以改变通风 机的工况。离开叶轮的气流，一般具有旋绕速度及与之相应的旋绕动能，该项动能 永远消耗到摩擦损失和构成旋涡上。为了充分利用时轮后的这部分动能，可在叶轮 后面设置后导流器5 。当然，设计中是否设置前导流器和后导流器，需要通过后蕊 一7 一 东北大学硕士学位论文第二章轴流通风机基本理论 章节中述及的技术经济比较分拆，根据合理的通风机级型式来决定。 在通风机级的出口，气流的轴向速度相当大。为了利用这部分动能，可在通风 机级后面安装扩散器7 ，使一部分动能在扩散器流道中转变为静压能，以提高通风 机的静压和静压效率，同时减少了扩散器出口的突然扩散损失。 2 2 轴流通风机翼型和肿栅及其主要几何参数和气流参数 本文涉及到的通风机的设计和优化计算，均是建立在孤立翼型理论和叶栅理论 基础之上。下面将分别阐述轴流通风机的翼型和叶栅以及翼型的几何参数及气流参 数。 2 2 1 轴流通风机常用翼型 轴流通风机的叶型，大部分采用航空工业中已有的性能良好的机翼或螺旋桨囊 型。目前，已有人傲性能良好的新型翼型的研究工作【3 6 1 ，并设计出一些新的翼型。 但由于常用翼型性能稳定，试验数据准确性高，仍然得到很广泛的应用。下面将国 内外常用的几种翼型作下介绍。 ( 1 ) r a f 一6 e 叶型 它是本世纪初英国发表的一种叶型。其最大升阻比对，冲角饼= 4 。一1 0 。之间。 升力系数0 8 c ， 1 7 。 ( 2 ) c l a r k y 叶型 这是美国n a c a 早期研究发表，其c = 1 0 0 , 4 。 ( 3 ) l s 叶型 它是参照英国l s 型螺旋桨翼型加以修改雨得到得一种叶型。在轴流通风机设 计中，这是一个经常选尉得翼型，其气动力特性数据比较详尽，c = 1 0 。 ( 4 ) 葛廷根叶型 该叶型是德国在2 0 世纪初研究发表的。该叶型特点是，随着相对厚度c 的增加， 时型的升力系数c 。也是增加的。 ( 5 ) 圆弧板叶型 圆弧板叶型豹优点是制造方便，缺点是效率比机翼型叶片低。一般通风换气场 合，大多采用此叶型。最大升鼹比位于0 0 5 f i b 1 。这种级的效率玎= 0 7 8 o 8 2 左右。常用 东北大学硕士学位论文 第二章轴流通风机基本理论 f 要求风机体积尽可能小的场合。 ( 2 ) 叶轮后设置后导叶( r + s ) 这种方案在轴流通风机中应用最广。气体轴向进入叶轮，从叶轮流出的气体绝 对速度尚有一定的预旋，经过后导叶扩压整流后，使气体近似轴向流出。这种方案 主要应用于压头较高的通风机，两效率也比较高，可达0 8 2 o 8 8 。 ( 3 ) 单独叶轮级( r ) 对于小轮毂比和功率不大的风机，通常采用这种方案，它设计制造简单、体积 小。效率较低，一般为0 7 o 8 左右。 ( 4 ) 叶轮前后都设置导叶( p + r + s ) 前导叶得到气流速度的负预旋，后导叶起到整流作用。这种方案的性能介于附r 和r + s 方案之间。 2 3 2 速度三角形 这里以r + s 方案为例，说明通风机内气体在级中流动的速度三角形。为了说明 问题简单，假设叶轮进出口绝对速度在轴向上分速度相等，即c ，。= c ：。= c 。 如图2 4 所示，由半径r 处的叶轮和后导流器叶片的截面所组成的两排平面直 歹0 叶栅，即是轴流通风机( r 十s ) 的基元级。所有半径截面处的基元级，鲴成通风机 完整级。 z 图2 4 基元级示意图 f i g2 4 s k e t c hm a po f e l e m e n t a r ys t e p 由叶轮进出口速度三角形的几何关系可得气流的平均相对速度w 。及其方向角 w 卅= c ：+ w 毛 一1 2 一 ( 2 5 ) 东北大学硕士学位论文 第二章轴流通风机基本理论 为 几= t a n 一1 旦 ( 2 6 ) w 日l 。 式中 w 舢一w 。在圆周方向的分量。 。：“一_aw_-w(一7)m 2 “2 “一_ t - ，j k = w 1 。一w 2 。 ( 2 8 ) 由图2 4 可知，当“l = u 2 = “时， a w = w w 2 。= a c 。= 。2 。 ( 2 9 ) 船。或k 称为扭速，表征气流在叶栅中的偏绕大小。 根据欧拉方程和速度三角形，可以得到叶轮叶栅传给每公斤气体的理论能量头 ，：土0 ：。“：一。，。“。) ：竺( c ：。一。) gg 则通风机的理论全压为 ( 2 i o ) p f = r h , = r e ( c 2 。一c l u ) = 彤船。= p u c 2 。 ( 2 1 1 ) g 通风机的实际压力为： p $ 。r p , p m2r p u t 2 。 ( 2 1 2 ) 通风机的流量 q 。= c a 2 r t r d r ( 2 1 3 ) 由速度三角形可知，c a 和知。是相关的，若想求得通风机的流量，也就必须得 n - 者的关系。 2 3 3 简单径向平衡方程 如上所述，求解通风机流量，需要知道绝对速度的轴向分量的分布情况。此外， 轴流通风机的级是由无穷多个基元级组成，沿叶高方向任意半径处基元级的流动情 况是各不相同的，但它们之间遵循一定的变化规律。 当气流旋绕沿半径有变化时，其压力也应变化，气流近似对称绕轴作圆柱面上 流动，说明沿径向气体压力的交化应与其离心力相平衡。这种变化规律即所谓径向 q 2 衡条件。 一1 3 一 东北大学硕士学位论文 第二章轴流通风机基本理论 假定气流是理想、稳定的圆柱形流动，并且气流参数是轴对称的。在叶轮和后 学叶之间的轴向间隙中取一微元体( 如图2 5 ) ，其质量为： 图2 5 气流在叶轮和后导叶中的流动 f i 9 2 5 c u r r e n tf l o wt h r o u 曲r o t o ra n dg u i d ev s a “l e 设其在半径r 处的切向速度分布为c 。则离心力为 如：咖笠 根据达朗贝尔原理，此离心力应与作用在微元体上的鹾力相平衡，则 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( p s t - 印。洳+ d r ) d 癣一一础一刖舻出譬= o ( 2 】6 ) 略去高次微分，整理得 盟；口生 d r。r 通风机全鹾为静压和动压之和，即 p - = p 。+ 妥c 2 将( 2 1 8 ) 代入到( 2 1 7 ) ，并考虑到c 2 = c ：+ c ：，得 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 墼a r = 挚a r + 飑牟a t + 雎睾a t ( 2 1 9 ) 将( 2 1 8 ) 代入到上式，得 一1 4 东北大学硕士擘位论文 第二章轴流通风机基拳理论 利用关系式 可得 土亟：冬坞( 鱼+ 翁 pd r “d r”r出。 ( 2 2 ( ) ) 专导h 卜譬+ 三譬= 譬螺警 c z z ， 监pd r 2 陆世d r + 篮d r 汜z z ， l ，2 2 3 4 等环量流型和变环量流型 轴流通风机中，用的最多的是气流沿叶片高度方向上： p 口= 常数；c 。= 常数 从( 2 2 2 ) 可积分得至0 ： r c 。= 常数 ( 2 2 3 ) 于是气体速度三角形沿叶片商度的变化完全确定。 对轮毂比较大的轴流风机，采用等环量级的设计能够取得十分良好的效果。但 是对于轮毂比较小的轴流风机，由于叶片长，按等环级设计时，叶片沿半径旋扭很 ：大，制造不方便，性能也不够好。所以要采用沿叶离变环薰设计。 一般采用的变环量级是按指数规律变化设计的，即： c ，r 。= 常数( 2 2 4 ) 从( 2 2 4 ) 可以看出： 若口= 1 ，r b c 。= 常数，这就是等环量流型。 a ” 若口= 一l ，竺i = 常数，这就是“刚体旋转模型”。 ， 一般取口= 0 1 的情况。口值可在一l 和l 之间变化。 2 4 孤立翼型和平面壹列叶栅理论 文献 3 ，给出了上述5 种常用翼型的特性曲线和气动特性参数值，和平面直列 一1 5 东北大学硕士学位论文第二章轴流通风机基本理论 叶栅理论一起，构成通风机空气动力计算的主要方法和依据。 下面将对由孤立翼型引出的儒可夫斯基定理以及建立在儒可夫斯基定理纂础之 上的孤立翼型和直列时栅理论、气动力方程以及两种常用轴流通风机设计计算方法 作一下简要叙述。 2 4 1 儒可夫斯基定理 ( 1 ) 气体的绕流和升力效应 工程中常见到气体绕物体的流动，简称为绕流。绕物体流动的气体，在气体的 速度分布不均匀时，将会引起压力分布的不均匀。引起气流速度分布不均匀的一个 相关物理量，叫做速度环量。它由伴随着物体的转动而随物体做环绕物体流动的环 流所引出。环流的大小可以用速度环量r 表示。所谓环量是指沿某一曲线切线方向 的速度与其位移的乘积的积分。 r = 和c o s 觚 ( 2 2 5 ) u 一曲线上任意一点的气体速度； 护一曲线上任意一点的气体速度和该点切线方向的夹角； s 一曲线上任意一点气体的位移。 考察气体绕流物体的上下表面的情况：气流在在物体上下表面的速度和速度环 流方向相同，使其速度增加；气流在物体下表面的速度和速度环流的方向相反，使 其速度减小。这样，当物体上表面气流速度离于下表面的气流速度时，会引起物体 j 二表面压力低于下表面的压力的情况。因此，在物体上便作用由一个向上的合力， 称为升力。这里带环量的绕流问题中所产生的这种现象，称为升力效应。 同样，当理想流体以某一冲角流过机翼时，气流会自动改变方向，顺着物体的 形状绕过去，在叶型上由两个驻点a 和b ，如图2 6 所示。 图2 6 机翼绕流流动示意图 f i 9 2 ，6a e r o f o i lc i r c t n n f l u e n e es k e t c hm a p 当气流经过叶型以后，速度又渐趋均匀，流线圈复平直形状，虽然绕叶型的上 下两部分流线是不对称的，但作用在叶型上的压力的合力仍为零。即机翼是无升力 雕j 。 一1 6 一 东北大学硕士学位论文 第二章轴流通风机基本理论 实际流体流经叶型时，表面上存在着附面层，当气流绕c 点流向b 点时，存在 剧烈的扩压，产生附面层分离，形成漩涡，称为起动涡。当该漩涡被上游气流带走 时，翼叶上的气流就顺着b c 段流向c 点。因此，实际气流流过叶型时，由于起动涡 的产生，一个与起动涡大小相等，方向相反的环流在机翼周围便产生了。其环量的 大小，正好使后驻点b 移至c 点，使气流在后缘点汇合后，才能平顺的流去。因此， 实际气流绕叶型的流动，可以看成是理想漉体绕叶型的流动与叶型的纯环流流动的 叠加。 叠加的结果，改变了叶型上下表面的速度分布，使叶型上表面速度增加，f 表 面速度减小，因而产生了一个向上的升力。 ( 2 ) 气流对叶栅中翼型的作用力一儒可夫斯基定理 儒可夫斯基证明，密度为几的气流以速度c 。流过叶型时，作用在单位长度叶 型上的升力为： r = 成。c 。f ( 2 + 2 6 ) 式中f 环绕叶型的速度环量。 对于作用在叶栅叶型上力的情况，可在气流中围绕一个叶型取封闭曲线a b c d 作为一个控制面( 体) ，根据动量定理、作用力反作用力关系以及伯努力方程，在 假定流体式理想的而无阻力时，可最终推得气流对叶片额线方向力和气流对叶片轴 线方向力为： = 一p r w o ( 2 2 7 ) p o = 一硝1 。 ( 2 2 8 ) 气体对叶片作用之气动力大小为： p = 口+ 巧 ( 2 2 9 ) 而实际流体是粘性流体不能忽略阻力。实际流体的空气动力特性，即升力和阻 力特性，通常由实验方法得到，给出的作用在单位长度叶片上的气动力常表示为： 0 = c ，- ：p 圮b ( 2 3 0 ) 只= q 一g - - 以6 ( 2 3 1 ) 二 式中c 。、。，一分别为叶型升力系数、阻力系数。 气流流过叶栅时，空气动力特性和叶型相似，分别为： 0 = c 。y i p - 2 + b ( 2 3 2 ) 一1 7 一 东北大学硕士学位论文第二章轴流通风机基本理论 只矗，。詈2 6 ( 2 3 3 ) 式中c 。，、c ，一分别为叶栅的升力系数、阻力系数。 一来流的平均相对速度。 2 4 2 空气动力基本方程 当粘性气流流过平面壹列时栅时，叶栅中单位长度翼型的压力损失可用式 ( 2 3 4 ) 计算 卸= f o t ( 2 3 4 ) 将式( 2 3 2 ) 及式( 2 3 3 ) 代入上式，并注意到叶栅稠度f = b t ，可以得到平 面直列叶栅中单位长度翼型的压力损失为 口：c = r p w 2 ( 2 3 5 ) 1 2 s i n 8 。 可见，粘性气流流过平面直列叶栅时，其压力损失肇与叶栅稠度f 、气流平均 相对速度w 。、气流角以、气体密度p 和叶栅阻力系数( 乙等有关。 由上式可得平面直列叶栅中翼型的阻力系数 巳= 等等 泣s s ， 将式( 2 3 5 ) 代入式( 2 3 6 ) ，并注意到叶栅中翼型的速度环量一= t ( w ，。一。) ， 则有 r c 。：2 ( w h - w 2 ) 一r c = c t g f l ( 2 3 7 ) 以竺坠乘以上式右边第一项，并注意到竺磐：s i n p 。，! k ：c t g f l ，及 0 w 。 2 ：塾l ：c t g f l ：，可将上式整理为粘性流体流过平面直列叶栅时叶栅稠度r 与翼型升力 w m 。 系数c 。之积，即空气动力负荷系数： r c 。= 2 s i n ，( c 增届一c t g f l 2 ) 一心，。c t g p 。 ( 2 3 8 ) 上两式即为用于轴流通风机空气动力计算的空气动力基本方程。 在式( 2 3 7 ) 中，其等式右侧第二项与第一项比较起来小得多，于是空气动力 綦本方程也可以简化成 z c 。：墅趔：2 s i l l 。0 t g f l l c t g l 3 2 ) ( 2 3 9 ) 一1 8 一 东北大学硕士学位论文第二章轴流通风机基本理论 考虑到w 。一w 2 。= ei t ，则上式也可以写成 1 l = 寺c ，b w 。 ( 2 4 0 ) 山 2 4 3 孤立叶型法和叶栅法 ( 1 ) 孤立叶型法 对于轴流风机来说，由于叶栅稠度不大，一般f 1 ) 时，实际的叶型在叶栅中的升力系数并不等于孤立叶 型的值，特别是大冲角时两者差别甚大。这就需要在叶栅吹风试验研究结果的基础 上来进行气动设计。 总体上，利用平面叶栅吹风实验数据进行叶轮气动计算的方法与孤立时型法基 本相同。所不同的是叶栅法是把风机叶片各截面的计算工况作为叶栅的额定工况， 把由所设计叶栅前后的速度三角形算得的气流转折角作为叶栅额定工况下的气流转 折角。再根据利用叶栅吹风试验所得到的数据图，查出最佳叶橱稠度。以此为基础， 就可进行完整的几何气动设计计算了。 实际的轴流通风机设计中，常常是两种方法结合起来进行计算。 一l 争一 东北大学硕士学位论文 第三章轴流通风机流型气动优化模型和求解 第三章轴流通风机流型气动优化模型和求解 3 1 轴流通风机优化设计的历史 3 1 1 轴流通风机结构和性能参数范围 轴流式通风机已有悠久的历史，十九世纪已经应用于矿山和冶金工业上。由于 当时工业水平的限制，理论研究没有很好的展开，这种风机的全压为9 8 2 9 4p a ， 而效率仅达1 5 2 5 。 二十世纪初期航空事业的迅速发展催生出的机翼理论，加之孤立翼型的升力理 论和试验数据以及从3 0 年代开始出现的叶橱理论和大量的平面叶栅实验数据，仍然 是轴流式通风机设计的主要依据。 轴流通风机中，叶轮和导叶组成级。轴流式通风机压力较低，一般情况下采用 单级。低压轴流通风机的压力在5 0 0p a 以下，高压轴流通风机的压力一般也在4 9 0 0 p a 以下。相对于离心压缩机，它具有流量大，压头低的特点。轴流通风机外径小的 只有1 0 0 多毫米，大的可达2 0 多米。目前，单级轴流通风机的全压效率可达9 0 以上，带有扩散简的单级风机，静压效率达到0 8 3 0 8 5 。压力系数小于o 3 。流 摄系数在0 3 和0 6 之间。单级轴流风机的比转数在1 8 9 0 ( 即1 0 0 5 0 0 ) 之间。 近年来，轴流风机逐渐向高压发展，有的全压可达1 4 2 1 0p a 。因此，许多大型 离心风机有被轴流风机取代的趋势。 3 1 2 轴流通风机流型最优化气动设计回顾 近些年来，有很多关于轴流通风机流型的气动优化设计的研究。在文献 1 4 中， 作者在对低压轴流通风机级效率计算公式分析的基础上，应用最优化理论，提出了 单独叶轮级低压轴流通风机最优流型的数值计算方法。 在文献 3 7 中，根据轴流式风机内部流动控制模型，进行了流型优化分析，提 出了在定变环量指数情况下，以k 值( k = c 。c i 。) 为控制变量的最佳控制旋涡 与流型的计算方法，并结合试验研究与工业生产实践，对控制旋涡的方法进行了，检 验与分析。 文献 3 8 分别对有后导叶和无导叶两种不同方案轴流风扇进行了理论研究及实 验分析。提出了c ：。= k r ，c ：。= k ：，型最佳扭曲规律，并与等环量扭曲规律和刚 体扭曲规律相比教，最终采用c ：。= 常数，和c ，。= 常数这