离心通风机叶轮的设计方法

　　如何设计高能、工艺简单的离心通风机一直是科研人员研究的主要问题， 设计高能叶轮叶片是解决这一问题的主要途径。

　　叶轮是风机的核心气动部件，叶轮内部流动的好坏直接决定着整机的性能和效率。因此国内外学者为了了解叶轮内部的真实流动状况，改进叶轮设计以提高叶轮的性能和效率，作了大量的工作。

　　为了设计出高能的离心叶轮 , 科研工作者们从各种角度来研究气体在叶轮内的流动规律 , 寻求最佳的叶轮设计方法。最早使用的是一元设计方法，通过大量的统计数据和一定的理论分析，获得离心通风机各个关键截面气动和结构参数的选择规律。在一元方法使用的初期，可以简单地通过对风机各个关键截面的平均速度计算，确定离心叶轮和蜗壳的关键参数，而且一般叶片型线采用简单的单圆弧成型。这种方法非常粗糙，设计的风机性能需要设计人员有非常丰富的经验，有时可以获得性能不错的风机，但是，大部分情况下，设计的通风机效率低下。为了改进，研究人员对叶轮轮盖的子午面型线采用过流断面的概念进行设计 ，如此设计出来的离心叶轮的轮盖为两段或多段圆弧，这种方法设计的叶轮虽然比前一种一元设计方法效率略有提高，但是该方法设计的风机轮盖加工难度大，成本高，很难用于大型风机和非标风机的生产。另外一个重要方面就是改进叶片设计，对于二元叶片的改进方法主要为采用等减速方法和等扩张度方法等，还有 采用给定叶轮内相对速度 W 沿平均流线m 分布的方法。 等减速方法 从损失的角度考虑， 气流相对速度在叶轮流道内的流动过程中以同一速率均匀变化，能减少流动损失， 进而 提高叶轮效率 ；等扩张度方法是为了避免局部地区过大的扩张角而提出的方法。 给定的叶轮内相对速度 W 沿平均流线 m 的分布是通过控制相对平均流速沿流线 m 的变化规律，通过简单几何关系，就可以得到叶片型线沿半径的分布。以上方法虽然简单，但也需要比较复杂的数值计算。 

　　随着数值计算以及电子计算机的高速发展，可以采用更加复杂的方法设计离心通风机叶片 。苗水淼等运用“全可控涡”概念, 建立了一种采用流线曲率法在叶轮流道的子午面上进行叶轮设计的设计方法 , 该方法目前已经推广至工程界 , 并已经取得了显著效果。但是此方法中决定叶轮设计成功与否的关键 , 即如何给出子午流面上叶片涡的合理分布。这一方面需要具有较丰富的设计经验；另一方面也需要在设计过程中对设计结果不断改进以符合叶片涡的分布规律 , 以期最终设计出高效率的叶轮机械。对于整个子午面上可控涡的确定，可以采用 rCu 沿轮盘、轮盖的给定，可以通过线性插值的方法确定 rCu 在整个子午面上的分布 ，也可以通过经验公式确定可控涡的分布，也有利用给定叶片载荷法设计离心通风机的叶片。以上方法都是采用流线曲率法，设计出的是三元离心叶片，对于二元离心通风机叶片还不能直接应用。但数值计算显示，离心通风机的二元叶片内部流动的结构是更复杂的三维流动。因此，如何利用三维流场计算方法进一步来设计高能二元离心叶轮是提高离心通风机设计技术的关键。

　　随着计算技术的不断发展，三维粘性流场计算获得了非常大的进步，据此，有一些研究者提出了近似模型方法。该方法是 针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题， 应用统计学的方法， 提出的一种 计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的方法。在近似模型方法应用于叶轮机械气动优化设计方面 , 国内外研究者们已经做了相当一部分工作, 其中以响应面和人工神经网络方法应用居多。如何有效地将近似模型方法应用于多学科、多工况的优化问题 , 并用较少的设计参数覆盖更大的实际设计空间 , 是一个重要的课题。

　　2007 年，席光等提出了近似模型方法在叶轮机械气动优化设计中的应用。近似模型的建立过程主要包括：（ 1 ）选择试验设计方法并布置样本点 , 在样本点上产生设计变量和设计目标对应的样本数据；（ 2 ）选择模型函数来表示上面的样本数据；（ 3 ）选择某种方法 , 用上面的模型函数拟合样本数据，建立近似模型。以上每一步选择不同的方法或者模型，就相应产生了各种不同的近似模型方法。该方法不仅有利于更准确地洞察设计量和设计目标之间的关系，而且用近似模型来取代计算费时的评估目标函数的计算分析程序，可以为工程优化设计提供快速的空间探测分析工具，降低了计算成本。 在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析 , 可以加速设计过程 , 降低设计成本。基于统计学理论提出的近似模型方法，有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾。该近似模型方法在试验设计方法基础上，将响应面方法、 Kriging 方法和人工神经网络技术成功地应用于叶轮机械部件的优化设计中，在离心压缩机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中得到了成功应用 , 展示了广阔的工程应用前景。目前，席光课题组已经建立了离心压缩机部件及水泵叶轮的优化设计系统，并在工程设计中发挥了重要作用。

　　2008 年，李景银等在近似模型方法的基础上提出了 控制离心叶轮流道的相对平均速度优化设计方法 ，将近似模型方法较早的应用于离心通风机叶轮设计。该方法通过给出 流道内气流 平均速度 沿平均流线的设计分布，设计出一组离心风机参数，根据正交性准则，在充分考虑影响叶轮效率因素的基础上，采用正交优化方法进行优化组合，并结合基于流体动力学分析软件的数值模拟，最终 成功开发了与全国推广产品 9-19 同样设计参数和叶轮大小的离心通风机模型，计算全压效率提高了 4% 以上 。该方法 简单易行、合理可靠， 得到了很高的设计开发效率。

　　随着理论研究的不断深入和设计方法的不断提高，对于 降低叶轮气动损失、改善叶轮气动性能的措施， 提高离心风机效率的研究，将会更好的应用于工程实际中。