采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化.pdf

第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化雷健,秦国良,崔琴,贾诚(西安交通大学能源与动力工程学院,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:针对多翼离心风机蜗壳宽度大、叶片短引起的轴向进气流量分布不均匀和叶道回流现象,提出变弦长叶片的设计方法,以多翼离心风机叶轮为研究对象,开展了叶轮前缘的参数化优化。使用有5个控制点的贝塞尔曲线构建叶轮前缘,建立了支持向量回归代理模型,设置了效率与静压的优化目标,通过遗传优化算法对选取的控制点参数进行了优化。设计结果表明:变弦长叶片设计提升了多翼离心风机的通流能力,体积流量最大提升至3 5.7m3/h。流场分析发现,变弦长叶片设计的叶轮沿叶高方向的流量分布更均匀,特别是在靠近轮盖侧速度小于0的区域,流量几乎消除,轮盘截面的通流占比提升2 9.8%,叶道回流现象得到明显改善,变弦长叶片叶轮的做功能力更强。优化后,变弦长叶片多翼离心风机的气动性能得到显著提高,大流量方向的工况范围得以拓宽,小流量工况下的效率提升了4.9%,风机的静压能力最大提高了9 1.1P a。研究为多翼离心风机内部流动控制、多翼离心风机变弦长叶片优化设计提供了理论基础和工程实践。关键词:变弦长叶片;多翼离心风机;支持向量回归;数值分析中图分类号:TH 4 3 2;T K 0 5 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 0 2 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 1 1-1 1I m p r o v e m e n t a n dO p t i m i z a t i o no fM u l t i-B l a d eC e n t r i f u g a lF a nI m p e l l e rB a s e do nV a r i a b l eC h o r dL e n g t hB l a d eD e s i g nL E I J i a n,Q I NG u o l i a n g,C U IQ i n,J I AC h e n g(S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h eu n e v e nd i s t r i b u t i o no f a x i a l i n l e t f l o wa n d t h eb a c k f l o wo f t h eb l a d ep a s-s a g ec a u s e db y t h e l a r g ev o l u t ew i d t ha n ds h o r tb l a d e so f t h em u l t i-b l a d e c e n t r i f u g a l f a n,t h i sp a-p e rp r o p o s e sad e s i g nm e t h o do fv a r i a b l ec h o r dl e n g t hb l a d e s.W i t ht h em u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a lf a ni m p e l l e r a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h ep a r a m e t r i c o p t i m i z a t i o no f t h e i m p e l l e r l e a d i n ge d g e i s c a r-r i e do u t.T h e l e a d i n ge d g e i s c o n s t r u c t e du s i n g t h eB e z i e r c u r v ew i t h f i v e c o n t r o l p o i n t s,t h e s u p-p o r tv e c t o rr e g r e s s i o np r o x ym o d e l i se s t a b l i s h e d,t h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e sf o re f f i c i e n c ya n ds t a t i cp r e s s u r ea r es e t,a n dt h ep a r a m e t e r so f t h es e l e c t e dc o n t r o l p o i n t sa r eo p t i m i z e db yg e n e t i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m.T h ev a r i a b l ec h o r dl o n gb l a d ed e s i g ni m p r o v e st h ef l o wc a p a c i t yo ft h em u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a lf a n,r e s u l t i n gi nam a x i m u mv o l u m ef l o wi n c r e a s et o3 5.7m3/h.T h ea n a l y s i so f t h e f l o wf i e l d r e v e a l s t h a t t h e i m p e l l e r d e s i g n e dw i t hv a r i a b l e c h o r d l e n g t hb l a d e sh a s am o r eu n i f o r mf l o wd i s t r i b u t i o na l o n gt h eb l a d eh e i g h td i r e c t i o n,e s p e c i a l l yi nt h ea r e an e a rt h e*收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 5。作者简介:雷健(1 9 9 5),男,博士生;秦国良(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 1 8 Y F B 0 6 0 6 1 0 4)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-0 6 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.t.2 0 2 3 0 4 0 4.1 8 1 5.0 0 5.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n s h r o u ds i d ew h e r e t h ev e l o c i t y i s l e s st h a n0,a n dt h ef l o wr a t i oo f t h ed i s ks e c t i o ni n c r e a s e sb y2 9.8%.T h ec h a n n e lb a c k f l o wp h e n o m e n o n i ss i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d,a n dt h ew o r k i n ga b i l i t yo ft h e i m p e l l e rw i t hv a r i a b l ec h o r d l e n g t hb l a d e s i sr e l a t i v e l ys t r o n g e r.B a s e do nt h ev a r i a b l ec h o r dl e n g t hb l a d ed e s i g n,t h e a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h em u l t i-b l a d e c e n t r i f u g a l f a n i sg r e a t l y i m-p r o v e d,t h eo p e r a t i n gr a n g ei nt h el a r g ef l o wd i r e c t i o ni sw i d e n e d,t h ee f f i c i e n c yi n c r e a s e sb y4.9%u n d e r t h es m a l l f l o wc o n d i t i o n,a n dt h es t a t i cp r e s s u r ec a p a c i t yo f t h e f a ni n c r e a s e sb yu pt o9 1.1P a.T h i s r e s e a r c hp r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ev a l u e f o r t h e i n-t e r n a l f l o wc o n t r o l a n dt h ev a r i a b l ec h o r d l e n g t hb l a d ed e s i g no fm u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a l f a n s.K e y w o r d s:v a r i a b l ec h o r dl e n g t hb l a d e;m u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a l f a n;s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n;n u m e r i c a l a n a l y s i s 现代社会中,绿色、节能、低噪等观念已深入人心,人们更加追求高质量的生活,对建筑设备和生活中使用的电器具有更高的要求。空调、吸油烟机等电器作为现代人们生活中必不可少的设备,对其能效、噪声的要求也日趋严格。多翼离心风机作为这类设备中的关键做功部件,对于整机性能的提升和噪声源的控制至关重要。国内外学者针对多翼离心风机的相关研究已发表了不少成果。V e l a r d e-S u r e z等1通过试验方法研究了前向多翼离心风机的气动噪声来源。V e-l a r d e-S u r e z等2通过非定常计算探究了前向式多翼离心风机的内部流动特征。Y o u n s i等3和L i n等4通过试验和数值方法研究了多翼风机的非定常流动。S a s a k i等5探讨了涡流对前向多翼离心风机内部产生的宽带噪声的影响。为了提高多翼离心风机的能效,B e n c h i k hL eH o c i n e等6使用代理模型和开源数据库自动优化多翼离心风机的部分结构参数,最终提高了多翼离心风机的性能。刘文武等7针对高压比小流量多翼离心风机进口集流器的偏心安装进行了数值研究,通过改变集流器的位置以匹配多翼离心风机内部的非对称性流动。杨伟刚等8通过将集流器偏心安装改善了多翼风机噪声。刘小民团队9对椭圆型进口集流器对多翼离心风机气动性能的影响进行了数值模拟,并给出了椭圆长轴和短轴的合适的布置区间。蔡涛等1 0对X B F多翼离心风机结构进行了试验研究与结构改进。吴灵辉等1 1结合多目标优化方法对叶轮进行了优化改进。B a l l e s t e r o s-T a j a d u r a等1 2对多翼离心风机蜗舌处的压力波动进行了数值计算,认为蜗舌的压力波动是引起多翼离心风机气动噪声的重要因素,并通过改进蜗舌构型达到了提升多翼离心风机性能的目的。X u等1 3采用不同湍流模型计算了蜗舌形状对性能的影响。方挺等1 4针对尺寸限制下的多翼离心风机蜗壳进行了重新设计,研究了蜗壳切割部位对多翼离心风机的影响,并给出了蜗壳切割建议。王珂等1 5基于分组模型对多翼离心风机不同部件进行了分组优化,达到了良好的效果,并通过仿生蜗舌的设计提高了多翼离心风机气动性能。学者们针对多翼离心风机的内部流动也开展了许多研究。M a e d a等1 6使用粒子图像测速方法(p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y,P I V)对多翼风机内三维流场进行了详细研究。蒋博彦等1 7通过P I V方法对小流量工况下的风机内部流动特性进行了研究。李亮等1 8使用非线性湍流模型对多翼离心风机内部流动进行了数值模拟。顾昭阳等1 9研究了多翼风机内部涡的产生,并提出了整流破涡方法。H e o等2 0考虑风机气动噪声和性能,优化设计了多翼离心风机。多翼离心风机部件中,蜗舌作为多翼离心风机内部流动最复杂的地点,C a u等2 1通过试验研究了风机内部二次流与主流的相互作用,发现轮毂区域的回流以及涡流结构和尾流的位置随流量变化的变化。宫武旗等2 2使用P I V方法对蜗舌处的流场进行了详细测量。研究表明,蜗舌与叶轮等的结构匹配对多翼离心风机的性能有重大影响。N e i s e等2 3总结了离心风机降噪方法。刘小民等2 4研究了不同凹形蜗舌对多翼离心风机气动性能和噪声的影响。刘小民等2 5使用仿生蜗舌设计方法提高了多翼风机性能并降低了气动噪声。熊仲营等2 6研究了不同蜗舌构型对多翼离心风机气动性能的影响。由于多翼离心叶轮的叶片较短、数量较多,使得气流在蜗舌处的流动形成了流向蜗壳出口的主要气流、蜗舌回流与小部分的叶道回流,后两者造成了多翼离心风机的气动效率较低。其次,为了增大多翼离心风机的通流流量,常常增加多翼离心风机的叶轮宽度。较宽的叶轮会使进口气流沿叶轮的轴向存在较大的不均匀性,而蜗舌一般设计为等直蜗舌。21 第8期雷健,等:采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 种种因素叠加,加剧了蜗舌处的复杂流动。本文在轮盖和轮盘之间以不同弦长堆叠进行叶片设计(如图1所示),以满足不同叶高处的叶轮通流流量要求,达到降低蜗舌回流与叶道回流的目的。建立贝塞尔曲线以拟合叶片进口前缘曲线,结合贝塞尔曲线控制点的待优化变量构建支持向量回归代理模型,采用非支配排序遗传算法(n o n-d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i c a l g o r i t h m-,N S G A-)对变弦长叶片进行参数优化,以达到最大的全压和效率提升。通过对比分析变弦长叶片设计和原始叶轮的内部流场,验证了变弦长叶片设计对多翼离心风机性能提升的有效性。图1 变弦长叶片示意F i g.1 D i a g r a mo fv a r i a b l ec h o r dl e n g t hb l a d e s1 变弦长叶片设计1.1 原始多翼离心风机本文所研究的基础多翼离心风机结构如图2所示。该多翼离心风机为单吸气式风机,叶轮采用单圆弧叶片,风机的设计转速为15 0 0r/m i n,多翼离心风机的结构参数详见表1。图2 多翼离心风机结构示意F i g.2 D i a g r a mo fm u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a l f a ns t r u c t u r e表1 多翼离心风机结构参数 T a b l e1 T h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so f t h em u l t i-b l a d ec e n t r i f u g a l f a n参数数值叶片进口直径D1/mm1 0 9.8叶片出口直径D2/mm1 3 1.0叶片数Z4 0叶轮宽度b/mm5 2.4蜗壳宽度B/mm7 5叶片进口安装角1 A/()5 0.8叶片出口安装角2 A/()1 6 3.9叶片厚度t/mm1蜗舌半径r/mm1 3.3扩散角/()6.5对数螺旋线终止长度L/mm1 2.4在针对原型风机的数值模拟结果中发现,沿叶高的方向存在流动不均匀的情况,使得靠近轮盖侧的叶轮出口存在负径向速度区域面积较大。因此,提出采用变弦长叶片的设计来匹配这种不均匀的流量分布。1.2 变弦长叶片设计采用5个控制点的贝塞尔曲线对叶轮叶片前缘进行设计定型,控制点如图3所示。其中,P0点按照叶片进口半径固定,其他控制点到转轴距离的变化范围如表2所示。图3 叶片进口前缘控制点分布F i g.3C o n t r o lp o i n to f t h eb l a d e i n l e t l e a d i n ge d g e通过给定控制点顶点,贝塞尔曲线可通过伯恩斯坦多项式表示P(t)=ni=uPiBni(t)Bni(t)=Cinti1-t n-iCin=n!i!n-i !(1)式中:n为控制点数量;t在01之间取值;C为组合数。31西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 表2 叶片前缘控制点到转轴距离的变化范围T a b l e2 D i s t a n c ev a r i a t i o no f t h ec o n t r o l p o i n t so f t h eb l a d el e a d i n ge d g e t or o t a t i o ns h a f t控制点控制点到转轴距离的变化范围/mmP05 4.8 9P14 5.0 05 4.8 9P24 5.0 05 4.8 9P34 5.0 05 4.8 9P44 5.0 05 4.8 9为了更快地分析变弦长叶片对多翼离心风机气动性能的影响,得到最优的变弦长叶片设计参数,使用代理模型结合NAGA-优化算法对叶轮前缘贝塞尔曲线的5个控制点进行参数寻优,探究变弦长叶片对内部流动的控制机理。1.3 数值模型与验证为了对比分析不同弦长叶片对多翼离心风机气动性能的影响,本文采用AN S Y S-F L U E NT对设计方案模型进行数值模拟,计算模型如图4所示,包括叶轮、蜗壳以及进出口延伸段。不同弦长叶片设计仅改变叶轮部件,因此对不同设计方案的叶轮部件做相应改变,表3给出了部分设计方案的叶片前缘控制点参数。图4 风机计算域模型F i g.4C o m p u t a t i o n a l d o m a i nm o d e l o f t h e f a n表3 前缘控制点参数取值T a b l e3P a r a m e t e rv a l u e so fb l a d e l e a d i n ge d g ec o n t r o lp o i n t s设计方案P1到转轴的距离/mmP2到转轴的距离/mmP3到转轴的距离/mmP4到转轴的距离/mm15 2.2 95 1.3 04 9.0 84 6.6 125 3.5 35 2.2 95 0.5 65 0.0 735 0.8 14 9.3 34 8.8 34 5.3 745 2.0 55 2.0 54 7.6 04 5.1 255 3.2 85 0.8 14 9.8 24 9.3 3求解的流动控制方程为N a v i e r-S t o k e s方程。湍流模型选用了r e a l i z a b l ek-模型,相关的研究认为该模型的计算结果更接近实际结果。近壁方程采用标准的近壁面控制方程,压力速度耦合方程的求解采用S I MP L E C算法,对流项的离散格式采用二阶迎风格式,压力插值修正使用P R E S T O!算法,扩散项的离散格式采用二阶迎风格式。进出口边界均采用压力边界条件。针对多翼离心风机模型进行了网格无关性验证和数值模拟结果验证,结果如图5所示。计算模型最终选取的网格数为5 0 0万。为了验证数值模拟的可靠性,对 比了数值模拟 结果与试验 测试值,如图5(b)所示。可以看出,数值模拟结果相较于试验测试值普遍偏高,出口总压和效率最大误差分别为2.7 6%和3.1 5%,在容许的误差范围内。(a)网格无关性验证结果(b)数值模拟误差对比图5 风机数值模型结果验证F i g.5 V a l i d a t i o no fn u m e r i c a lm o d e l r e s u l t s f o r t h e f a n2 优化设计方法2.1 代理模型构建随着优化变量数目的增加,为了更高效地提升多翼离心风机的性能,探究叶轮结构参数对风机性能的影响,代理模型与优化算法被更多地引入到流体机械的优化设计过程中。代理模型具有替代部分数值计算的优点,通过数值模拟与代理模型的结合,41 第8期雷健,等:采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 可以在已知的误差区间内对多翼离心风机的气动性能进行更好的预测。支持向量机由V a p n i k等2 7提出,是一种基于统计学习的智能算法。支持向量回归机则用来处理回归问题,其基本思想是通过在特征空间构建超平面划分数据,使得各个点到该超平面的距离最短。图6展示了支持向量回归机在一维线性回归问题的示例,寻找一条回归直线,使得落在2(为允许的最大回归误差)范围外的点到边界的距离之和最小。图6 一维支持向量回归机F i g.6 O n e-d i m e n s i o n a l s u p p o r tv e c t o r r e g r e s s i o n标准支持向量回归算法的基本表达式为m i n12W2+CPi=1i+*i (2)s.t.WXi +b -yi+i,i=1,2,P(3)yi-WXi +b +*i,i=1,2,P(4)*=*1,*1,*i,*i 0(5)式中:P为样本总数;Xi和yi对应输入和输出;W和b为待求解参数;(*)和C为松弛因子和惩罚函数。通过对偶理论将上述问题转化为对偶问题进行求解。引入核函数将非线性问题映射到线性空间,常用的高斯核函数为K Xi,Xj =e x p-Xi-Xj222 (6)采用最小序列最优化方法求解该对偶问题,最终求得支持向量回归的最优超平面方程f x =li=1i-*i K Xi,Xj +b(7)b=yj-Pi=1*i-i K Xi,Xj +(8)式中*i为待求拉格朗日乘子向量分量。图7展示了支持向量回归模型流程,样本生成过程采用拉丁超立方采样,该方法具有良好的样本空间代表性。随机生成了4 0组样本,其中2 5组作为训练样本,剩余1 5组作为验证样本。当模型精度不达标时,通过增加额外样本的方法提升模型精度。图7 支持向量回归模型流程F i g.7 T h ew o r k f l o wo f s u p p o r tv e c t o r r e g r e s s i o nm o d e l图8展示了支持向量回归模型的预测精度。可以看出,支持向量回归模型与C F D的效率的最大误差为2.4 7%,可以用于预测多翼离心风机气动性能。(a)效率(b)静压图8 支持向量回归模型预测准确度验证F i g.8 V a l i d a t i o no fp r e d i c t i o na c c u r a c yf o rs u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o nm o d e l s51西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 2.2 多目标优化方法遗传算法的使用已日臻成熟,具体流程包括种群生成、选择、交叉、变异、新种群生成等,通过适应度淘汰部分个体,以此反复迭代,直至寻找到最优解。图9展示了结合遗传算法的变弦长叶片设计优化流程,具体如下:(1)将叶片前缘的5个控制点作为控制叶轮前缘的参数,其参数变化范围如表2所示;(2)通过拉丁超立方取样方法随机抽取了4 0组样本,其中2 5组作为训练样本,另外1 5组作为验证样本;(3)通过数值模拟方法计算各个样本对应的效率和静压,并导入支持向量回归模型,完成代理模型的构建;(4)应用遗传算法N S GA-作为多目标优化算法,设置效率与静压为优化目标;(5)针对优化得到的模型进行数值模拟验证,完成变弦长叶片的优化设计。图9 多目标遗传优化算法流程F i g.9P r o c e s so fm u l t i-o b j e c t i v eg e n e t i co p-t i m i z a t i o na l g o r i t h m多目标优化由于待优化的目标数目大于1,实际使用中往往不能同时使各个目标均达到最优,因此通过寻找P a r e t o前沿并从中挑选适应实际要求的最优解。2.3 多目标优化命题本文主要研究变弦长叶片对多翼离心风机气动性能的影响,因此以提升风机运行效率与静压能力为主要目的,控制参数的变化范围如表2所示,设定的优化命题为目标1:m a xf1=(9)目标2:m a xf2=ps(1 0)3 结果分析与讨论3.1 气动性能分析优化后的风机效率最大值与静压最大值不能同时达到,综合考虑效率与静压提升,选取P a r e t o前沿解中的一个(图1 0中红色点)进行分析。优化后的叶片进口前缘曲线控制点位置参数如表4所示,优化前后叶片对比如图1 0所示。优化后的叶片在轮盘侧的弦长更长,轮盘与轮盖之间的叶轮进口前缘曲线整体呈外凸形式,不同叶高截面的叶片弦长持续增大。图1 0 多目标优化P a r e t o前沿解 F i g.1 0P a r e t of r o n t i e rs o l u t i o n so fm u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n表4 优化后的叶片前缘控制点位置参数T a b l e4 P a r a m e t e rv a l u e so ft h ec o n t r o lp o i n tp o s i t i o n so nt h eb l a d e l e a d i n ge d g ea f t e ro p t i m i z a t i o n控制点控制点到转轴的距离/mmP05 4.8 9P15 4.0 1P25 0.8 0P35 0.2 1P45 0.0 0(a)原型叶片61 第8期雷健,等:采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n (b)优化后变弦长叶片图1 1 优化前后叶片型线对比 F i g.1 1C o m p a r i s o no fb l a d ep r o f i l eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n优化后的多翼离心风机气动性能有较大的提升,如图1 2所示。大流量方向的工况范围更宽,且大流量下的风机静压更高,静压最大提升值相较原始多翼离心风机提高了9 1.1P a。整个工况范围内,优化后的多翼离心风机效率均有明显提升,特别是在小流量工况处,效率提升显著,提升幅度为4.9%。图1 2 原型机与优化风机性能曲线F i g.1 2P e r f o r m a n c ec u r v eo fp r o t o t y p ea n do p t i m i z e df a n3.2 流场分析选取体积流量为4 0 0m3/h时的工况分析变弦长叶片设计的优化效果。通过不同截面的速度云图分析变弦长叶片对多翼离心风机气动性能的影响,如图1 3所示。可以看出,在不同叶高截面上,变弦长叶片的叶轮出口速度相较于原始叶片更均匀。原始叶片在不同叶高处的速度梯度变化较大,0.5叶(a)0.2叶高(b)0.5叶高(c)0.8叶高图1 3 风机内部速度云图F i g.1 3 T h ev e l o c i t ym a p i n s i d e t h e f a n高处的通流流量大于0.2和0.8叶高处的;变弦长叶片在不同叶高处的速度梯度变化更缓和,更好地匹配了不同叶高处的通流需求。图1 4展示了变弦长叶片与原始叶片叶轮出口速度展开图,图像上方为轮盘侧。优化后的变弦长叶片由于在靠近轮盘侧增大了叶片弦长,因此轮盘侧的叶轮出口速度相较于原始叶片叶轮有所增大。与此同时,靠近轮盖侧的叶轮出口速度也随之增大,低速区域减少,轮盖侧的流动得到改善,与蜗舌的相互作用减弱。图1 4 叶轮出口速度分布F i g.1 4 V e l o c i t yd i s t r i b u t i o nd i a g r a ma t t h e i m p e l l e ro u t l e t图1 5展示了叶轮出口径向速度云图,蓝色区域为速度为负的区域。可以发现,变弦长叶片的负径向速度区域显著减少,叶轮流道的通流能力得到了71西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 改善,特别是在靠近轮盖一侧。负速度区域的减少表示叶轮的叶道回流现象得到了改善。图1 5 叶轮出口径向速度分布F i g.1 5I m p e l l e ro u t l e t r a d i a l v e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc h a r t通过不同叶高截面的速度矢量图观察变弦长叶片和原始叶片与蜗舌的相互作用,如图1 6所示。(a)0.2叶高(b)0.5叶高(c)0.8叶高图1 6 风机内部速度矢量分布F i g.1 6I n t e r n a l v e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no f t h e f a n从图1 6可以看出,变弦长叶片更好地适应了不同截面的通流流量需求,对蜗舌的冲击相较于原始叶片范围更小。特别在0.8叶高处,原始叶片由于在蜗舌处的速度更快,对蜗舌的冲击影响了通流能力,结合图1 5可知,该叶高处的叶轮出口存在回流现象。变弦长叶片则由于通流流量被分配给叶片弦长更长的截面,因此在0.8叶高的叶轮出口速度更小,对蜗舌的冲击也更小,改善了叶轮出口的回流。图1 7展示了不同叶高的多翼离心风机叶轮叶道的流线图。可以看出,0.2叶高处由于变弦长叶片的叶道更长,叶轮的出口速度更大,叶道内的旋涡明显少于原始叶轮。在0.5叶高和0.8叶高截面,变弦长叶片和原始叶片叶道内均有旋涡,但原始叶片的低速旋涡区会影响靠近蜗舌区域的整个叶道,导致某些叶道出现回流现象。(a)0.2叶高(b)0.5叶高(c)0.8叶高图1 7 叶轮流道内速度流线图 F i g.1 7 V e l o c i t ys t r e a m l i n ed i a g r a mi n s i d e t h e i m p e l l e rf l o wc h a n n e l图1 8展示了不同截面的总压分布情况。可以看出,变弦长叶片相较于原始叶片的叶轮做功能力提高,叶轮进出口的总压升有所增加,变弦长叶片改善了叶轮流道的流动。81 第8期雷健,等:采用变弦长叶片设计的多翼离心风机叶轮改进与优化 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n 图1 8 风机内部不同截面总压分布F i g.1 8 D i s t r i b u t i o no ft o t a lp r e s s u r ea td i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n s i n s i d e t h e f a n湍流动能被用来表征湍流强度和能量耗散速度,图1 9给出了0.5叶高和0.2叶高处的湍流动能。在0.2叶高处,变弦长叶片随着流动的改善,靠近蜗舌叶道的湍流动能远小于原始叶片相应叶道的。变弦长叶片由于不同叶高的叶片弦长不同,位于轮盘侧的弦长更长,相应的通流能力更强,改善了叶轮出口流动,减小了与蜗舌的相互作用,使得该区域的能量损失更小。图1 9 风机内部湍动能分布F i g.1 9 T u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o n i n s i d e t h e f a n通过Q准则比较原始叶片和变弦长叶片不同截面的涡量分布,如图2 0所示。可以看出,原始叶片在0.2叶高和0.5叶高截面的涡量集中在叶轮进口处,且在靠近蜗舌处的相关叶道内几乎布满整个区域。变弦长叶片的设计改善了叶轮的流动分离情况,涡量集中在叶轮进口。随着通流能力的改善,变弦长叶片靠近蜗舌的叶道与蜗舌的相互作用减弱,改善了蜗舌处的流动。图2 0 叶轮内部涡量云图F i g.2 0 V o r t e xc l o u dd i a g r a mi nt h e i m p e l l e r4 结 论本文针对多翼离心风机叶轮进行设计优化,提出了变弦长叶片以满足不同叶高的风机通流流量要求,并借助代理模型和遗传算法对叶片前缘线进行优化,得到的主要结论如下。(1)基于原型多翼离心风机叶轮不同叶高处的通流流量分布不均匀,提出变弦长叶片的设计方法,使得叶轮不同截面的通流改善。(2)对控制变弦长叶片的控制点进行多目标优化后,多翼离心风机性能得到显著提高,小流量工况下效率提升4.9%,风机静压最大提高9 1.1P a。(3)优化后的多翼离心风机大流量侧的工况范围拓宽,轮盖侧的叶道回流现象得到明显改善,蜗舌处的冲击损失减小,叶轮的做功能力提高。参考文献:1 V E L A R D E-S U R E ZS,S AN T O L A R I A-MO R R O SC,B A L L E S T E R O S-T A J A D UR A R.E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ea e r o a c o u s t i cb e h a v i o ro f a f o r w a r d-c u r v e db l a d e sc e n t r i f u g a l f a nJ.J o u r n a l o fF l u i d sE n g i n e e r-i n g,1 9 9 9,1 2 1(2):2 7 6-2 8 1.2 V E L A R D E-S U R E ZS,B A L L E S T E R O S-TA J A D U-R AR,S AN T O L A R I A-MO R R O SC,e ta l.U n s t e a d yf l o wp a t t e r nc h a r a c t e r i s t i c sd o w n s t r e a mo faf o r w a r d-c u r v e db l a d e sc e n t r i f u g a lf a nJ.J o u r n a lo fF l u i d s91西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t