德阳无动力风机具有怎样的气动设计方法

　　从1975年开始，本文结合我们工作实践讨论离心风机气动设计方法的发展及其应用。我们一直致力于风机气动设计方法研究及高性能风机产品开发。

　　1 离心风机气动设计的现代方法(1991～2000)——只能预估设计工况性能

　　随着计算机和计算流体力学(CFD)技术的发展，有可能采用CFD来数值计算离心风机内部的复杂流场，预估风机流量、全压和效率关系的风机性能。。我们立即组织教师和研究生，按照它的编程思想，逐句逐段的核对，也发现了不少错误，并进行一些简单流动计算的考核，花了近一年时间，基本搞通，然后针对气动设计性能良好的风机，逐步将它用到风机部件内的流动，从几何建模、计算域和边界条件确定、网格生成、收敛条件和松弛因子等数值计算要素确定，再建立风机数值计算结果分析的后处理，得出风机内部流场分析和性能预估，并和实测对比一整套的数值模拟方法，边计算边实践，边改进，不断积累风机数值计算经验。1991年叶轮机械CFD权威Lakshminarayana[3]首先对叶轮机械分析和设计中的CFD技术发表评述，标志着CFD方法开始用于叶轮机械的压缩机和汽轮机，但还未见用于风机，当时我们就意识到应该开始引用CFD计算风机流场，来预估风机性能。开展CFD工作首先要有软件，但当时没有商用CFD软件，国内流场计算都是自己开发程序，时间花了很多，并不怎么好，也不肯转让。我们从美国航空和宇航局(NASA)内部报告中发现了一个公开发表的“用非正交贴体坐标系计算不可压三维流场的程序”[4]，不仅有比较详细的介绍，还附有全部源程序风机内部流场计算也是先易后难，先从不动的蜗壳流动再用到转动的叶轮内的流动;叶轮内流动计算，也先从二维的子午通道，再进行叶轮三维流动计算;再进行叶轮和蜗壳耦合流动分析(当时的计算软件还不具备蜗壳—叶轮—进风口连同进出管道的整机数值模拟)，为建立离心风机气动设计的现代方法奠定基础。

　　在此基础上，1996年我们申请国家自然科学基金项目“低比噪声离心风机科学设计方法研究”得到批准(批准号59575016，1996～1998，)并和北京西山风机厂合作开发优秀性能的7-35 产品系列(1997～2000)正式提出离心风机气动设计现代方法的基本思想，共分三步，见图1。首先以离心风机气动设计改进的工程方法为基础，利用我们自编的气动设计软件和设计经验，包括一些经验系数的选用，给出性能良好的风机气动力设计图，然后用CFD软件计算上述风机内部的三维湍流场，得到给定流量下的全压和效率。这是关键的一步，因为这样就能在设计阶段预估风机性能，这是过去工程设计方法没法得到的。如预估性能不满意，则改变原来的经验设计参数，重新进行风机工程设计，得到一个新的风机气动力图，再去进行三维流场计算，得到新的风机的预估性能，直到满意后，就进入最后一步，做样机进行测试来验证预估性能，如不满意，再重新进行工程设计新风机，再计算预估性能，再做样机测试，直到得到工程设计的风机预估性能和实测性能相近又满意的样机，才算设计完成，整个这样的设计过程，称为离心风机的现代设计方法。它的优点是能在设计阶段预估风机性能，其中大量工作是设计和计算，主要时间花在数值模拟的计算上，这可以大大减少样机制作和性能试验，也就大大节省高性能风机开发的时间和费用。

　　采用这种现代设计方法结合开发高性能风机产品，培养了1名博士生和6名硕士生，博士题目为《离心风机现代设计方法及整机性能数值模拟》(2000)[5],也许是国内******篇涉及风机数值模拟的博士论文，发表了一批学术论文如文献[6-12]，其中突出代表是在1998年《中国机械工程》杂志上发表的《离心风机现代设计方法研究》[6]，开发了一批高性能风机产品，突出代表是和北京西山风机厂合作研制的7-35离心风机，它是用来替代6-41的离心风机。6-41风机的气动性能本来就很好，自1987年研制成功

　　2 离心风机气动设计的工程方法(1990年前)——不能预估工况性能

　　国际公认的离心和轴流风机气动设计工程方法的权威著作是德国著名风机专家B.Eck的专著《风机》(1973年英文版)[1]，关于离心风机气动设计的主要思想为基于一维、二维不可压理想均匀流假定及进口速度三角形无预旋假定，通过离心风机内部流动及其损失机理分析，结合70年代以前的气动设计经验和性能试验数据，提出了一套完整的离心风机气动设计工程方法，奠定了离心风机气动设计的基础。其核心内容是确定叶轮参数两个公式，一是连续方程，可确定叶轮进口直径d1，见公式 (1)，另一个是叶轮机械做功的欧拉方程(又称全压公式，对于不可压流体，也就是动量方程的积分)，可确定叶片的几何出口角β2j，见公式(2)。

　　式中，Q-，H-分别为流量系数和全压系数，ε，β1j，ψ，μ和i分别为叶轮进口加速系数、几何进口角、进口充满系数、有限叶片修正系数和进口冲角，ηi为叶轮流动效率，d2，b2和β2j分别为叶轮出口直径、宽度和几何出口角。Eck还对两个重要的设计参数，即叶轮进口加速系数(定义为进风口出口和叶轮进口截面的面积比值)和几何进口角提出具体建议，前者应大于1，具体推荐取值为1.2，使进入叶轮的流动是较强的加速流，可减少分离，后者，建议采用i+35.4°，这是根据在同样流量下，进口速度最小，因而可使叶轮内的流动损失最小推导得到的优化值。Eck还提出叶片型线应使叶片通道内的流速具有相同的减速，这样在流道中就没有大的减速出现，可减少分离，这种型线称为等减速流型(dw/dt=wdw/ds=const)，我们在学习Eck方法的基础上，引用了透平机械和航空工程中的一些设计思想，结合9-19风机开发,经过多次设计—样机—性能试验，突破了风机行业和Eck的一些设计思想和经验系数的取值，1977年研制成功的9-19№.6风机样机全压效率，η=86%，A声压级LPA=94.5dB，比A声压级 LPA=17.1dB，比当时市场流行的高压风机系列产品8-18№.6风机效率提高21%，A声压级下降5.5dB，比A声压级下降 6.5dB，且具有效率高、噪声低、性能曲线平坦及高效区宽广的优点，结构简单，工艺可行。在9-19风机开发的基础上，又开发了其姐妹系列9-26风机，由于其优良性能，很快被机械工业部指定为全国推广的优秀高压离心风机产品系列www.tfsbcj.com，替代当时流行的8-18和9-27系列风机，直到现在9-19和9-26风机还是风机市场高压风机主力产品。1980年提出了9-19风机的气动力设计方法[2]，对Eck方法提出以下主要改进：1)采用叶轮进口加速系数小于1，具体建议为0.7～0.8，这样可以大大减少叶轮进口流速，不仅可以减少叶轮损失，也有利于减少噪声，因为噪声和流速的6次方成正比，理由是这种扩压流动，虽然会有一些分离流，但考虑到高速旋转叶轮产生的离心力，会将流入叶轮的少量分离流甩开;2)对前向风机采用很小的叶轮出口宽度和叶轮直径比值，约为0.09，以减少叶片的出口角(见公式(2))，并由连续方程可知，它能提高w2/w1值，因而减少叶片通道的扩压度，可减少分离，提高效率;3)提出等当量扩张角流型(w-1.5dw/ds=const)代替Eck的等减速流型，认为这样更为合理，理由是前者将整个叶片通道设计为一个等当量扩张角的圆锥通道，这样的扩张才更为均匀，而且容易控制，只要这个锥角设计在一个合理值以内即可;4)离心风机噪声主要是叶片通过频率(BPF)的离散噪声和湍流和旋涡引起的宽带噪声，其中蜗舌间隙δ(蜗舌与叶轮间的最小距离和叶轮直径的比值)是影响BPF噪声的主要因素，δ越大，BPF噪声就小，总噪声也可减少，过去国内没有研究噪声，风机为了提高全压和效率都取较小的δ，一般为3%～5%。为了减少噪声，我们推荐采用10%。为了保证风机全压和效率，提出了一种大蜗壳的设计方法;5)首次在风机行业推荐使用无叶旋转扩压器，它可以减少蜗壳损失，提高全压和效率。20多年来按照这种方法及后来的一些改进，总结了主要几个优化设计参数，开发并完善了离心风机气动设计工程方法的软件。使用这个软件，之后的10多年已经开发出很多市场流行的高性能离心风机系列，其中突出的产品系列是1987年开发的6-41中压风机系列，直到现在仍然是风机市场的主流产品。

　　离心风机内的实际流动是整机(包括叶轮、蜗壳和进风口)三维的有粘性的湍流流动。但工程设计方法的主要缺点有：1)一维或二维的不考虑粘性的流动假定;2)叶轮、蜗壳是单独设计的，进风口是按经验选配的，而且设计时没有考虑部件间的相互影响;3)相当程度上还是凭经验设计，一些重要的经验系数选取的优劣无法在设计阶段考核;4)在设计阶段无法预估风机的工况性能，风机性能只能由样机性能试验给出。这点是这种方法的根本缺点，总是需要多个设计—样机—性能试验的周期才能完成样机开发，一般需要3～5个周期，甚至更多，才能完成一个产品开发，所以开发周期长、成本高。