盡管人們對離心壓縮機三元葉片的設(shè)計方法進(jìn)行了大量的研究1但對大型工業(yè)離心風(fēng)機使用的兩元葉片的設(shè)計研究很少。離心風(fēng)機兩元葉片的設(shè)計方法大致有以下幾種：①最傳統(tǒng)的按圓弧幾何成型，該方法葉輪效率偏低；②給定葉輪內(nèi)相對平均速度的分布規(guī)律，如采用等減速或等擴張角度的方法1341，或直接給定平均速度沿流道的分布，然后進(jìn)行葉片載荷分析151，這類方法需要進(jìn)行風(fēng)機性能測試或三維流場計算然后進(jìn)行性能或流場分析對比并反復(fù)調(diào)整經(jīng)驗設(shè)計參數(shù)以提高風(fēng)機效率；③采用給定角動量的設(shè)計方法16，這與壓縮機葉輪設(shè)計方法111一樣，但只給中間流線加載，并且結(jié)合了邊界層計算，設(shè)計方法比較復(fù)雜。
近年來采用試驗設(shè)計和三維流場數(shù)值計算然后優(yōu)選或構(gòu)造回歸函數(shù)優(yōu)化的方法成為葉輪機械設(shè)計的一個研究熱點171.本文提出在離心風(fēng)機葉道內(nèi)采用可控減速設(shè)計方法，通過正交試驗設(shè)計，優(yōu)化確定葉道內(nèi)氣流平均速度的減速規(guī)律，從而設(shè)計高效的離心風(fēng)機兩元葉輪，并以9-19型離心風(fēng)機為例進(jìn)行了設(shè)計方法的研究。
9-9離心風(fēng)機是國內(nèi)推廣的高壓小流量風(fēng)機的典型代表，得到了廣泛的應(yīng)用。本文按6號風(fēng)機?；O(shè)計，確定單級單進(jìn)氣風(fēng)機設(shè)計工況流量為2900r/min.為了對比，本文僅重新設(shè)計9 -9風(fēng)機葉片，而保持葉輪的輪蓋、輪盤型線不變。首先，假設(shè)流道內(nèi)氣流的平均相對速度變化率沿半徑的分布為二次多項式，即后，由Cr=wsinP可得到葉片角度P沿半徑r的分布，由葉片內(nèi)徑或外徑沿流線積分就可得到葉片型線。
2正交優(yōu)化及設(shè)計結(jié)果bookmark2正交試驗設(shè)計具有均勻分布、整齊可比的優(yōu)點。
本文采用常見的正交試驗表見表1，對本文的3個因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。如果采用完全析因設(shè)計，需要27次計算而采用正交試驗設(shè)計，只計算9次就可以得到所有結(jié)果中前3名的設(shè)計結(jié)果。
根據(jù)經(jīng)驗和對流道內(nèi)氣流的相對速度變化規(guī)律的分析，確定中系數(shù)A、B、C的變化范圍如下：因素A，因素B，因素C.對3個因素各取3個水平，將其代入正交表1.可調(diào)變量；為葉輪半徑。因為在葉片中間區(qū)域，葉片控制流動分離的能力強，流動效果好，因此應(yīng)采用較大的減速和擴壓度，也即式⑴的減速規(guī)律的系數(shù)C應(yīng)該取較小值。
由于葉道中間流線m與葉輪半徑r及徑向氣流速度Cr與相對氣流角卩有如下關(guān)系所以，式⑴可以進(jìn)一步變化為表1正交數(shù)值試驗表己知葉輪過水?dāng)嗝鎸挾?/（r）和葉片阻塞系數(shù)T由的等減速方法可知由此可得可控減速法的葉道內(nèi)相對速度分布為對表1中的9組設(shè)計參數(shù)所有進(jìn)行了葉片造型和相應(yīng)的風(fēng)機整機全三維數(shù)值模擬計算，由此得到效率頭等的設(shè)計結(jié)果。所得到的/'（r）曲線如所示，該曲線因素C為2 6即最小值。為原始9- 19風(fēng)機的葉片型線與正交優(yōu)化設(shè)計確定的風(fēng)機葉片型線的對比圖。
優(yōu)化后的氣流減速函數(shù)/分布9-19風(fēng)機與優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機的葉片型線對比優(yōu)化前后的風(fēng)機性能和流場對比分析31網(wǎng)格分布以及數(shù)值計算模型本文采用fluent軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算。
計算所有采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，進(jìn)氣段網(wǎng)格數(shù)約15萬，葉輪網(wǎng)格數(shù)約50萬，蝸殼網(wǎng)格約40萬，并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性計算，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到157萬時，計算的效率和全壓變化均小于0 1%可認(rèn)為達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)性的要求。同樣的計算網(wǎng)格和計算模型曾用于自主開發(fā)的、具有準(zhǔn)確性能測試結(jié)果的離心風(fēng)機的性能和流場計算風(fēng)機的性能計算精度完全令人滿意8.計算模型采用三維N-S方程和RNGkre湍流模型。控制方程采用隱式分離方法求解，壓力修正采用SIMPLEC算法。優(yōu)良邊界條件為速度優(yōu)良，出口靜壓邊界為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壁面采用無滑移條件，動靜邊界采用MRF模型。
32優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機與原9-19風(fēng)機的全工況特性對比從非常明顯地看出，優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機的效率在大部分工況下都明顯高于原9-19風(fēng)機，其中設(shè)計流量時，全壓效率由原來的80 1%提高到848%效率提高達(dá)47%，小流量時全壓效率由原來的768%提高到804%.另外，設(shè)計點風(fēng)機全壓提高了35%，小流量時風(fēng)機全壓提高3%，但在大流量時，設(shè)計風(fēng)機的壓力低于原風(fēng)機。這主要是因為原>19風(fēng)機采用了15%的旋轉(zhuǎn)擴壓器，而優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機大了葉片直徑，只保留了較小的旋轉(zhuǎn)擴壓器，從而可以采用后向葉片，這樣設(shè)計風(fēng)機就具有后向葉片的特性。盡管大流量時壓力下降，但避免了大流量時的前向葉片風(fēng)機過載特性所導(dǎo)致的燒毀電機的問題。從計算的功率曲線看，優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機確實具有不過載特性。由于通過正交優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機在設(shè)計點效率己經(jīng)達(dá)到84 8%令人滿意，而且壓力也與氣動設(shè)計要求差別不大，所以就沒有再進(jìn)行響應(yīng)面函數(shù)的構(gòu)造和優(yōu)點的進(jìn)一步選擇。
3優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機與原9-19風(fēng)機流場對比分析為設(shè)計工況下2個風(fēng)機葉輪跨盤蓋中心回轉(zhuǎn)面上的靜壓系數(shù)等值線圖，其中靜壓系數(shù)定義為也= psF/Pu2，其中psF是當(dāng)?shù)仂o壓升，U是葉片直徑600mm處的周向速度。由圖可以看到，優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機的靜壓加比9-19風(fēng)機要均勻得多。另外，對設(shè)計流量下2種風(fēng)機流場的渦量、速度、壓力分布等流動參數(shù)也進(jìn)行了對比分析，優(yōu)化的風(fēng)機各種流場都明顯改善。
4結(jié)論初步性能試驗結(jié)果表明，本文采用可控減速正交優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機，其壓力和效率的改善與數(shù)值實驗對比結(jié)果一致，因此可以得到如下結(jié)論。
OSH9風(fēng)機（b）優(yōu)化設(shè)計風(fēng)機設(shè)計工況時風(fēng)機葉輪跨盤蓋中心回轉(zhuǎn)面上靜壓分布圖相比原9-19風(fēng)機，采用可控減速正交優(yōu)化設(shè)計的風(fēng)機，流場分布大大改善，其流道內(nèi)靜壓加沿流線更加均勻，而且消除了葉輪出口流動分離，同時流道中的渦量也明顯減小。
本文提出的可控變減速法正交優(yōu)化設(shè)計兩元離心風(fēng)機葉片的方法，所開發(fā)的葉輪效率高，設(shè)計速度快，是行之有效的兩元離心風(fēng)機葉片設(shè)計的新方法。