盡管人們對(duì)離心壓縮機(jī)三元葉片的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究1但對(duì)大型工業(yè)離心風(fēng)機(jī)使用的兩元葉片的設(shè)計(jì)研究很少。離心風(fēng)機(jī)兩元葉片的設(shè)計(jì)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(duì)平均速度的分布規(guī)律，如采用等減速或等擴(kuò)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(lèi)方法需要進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能測(cè)試或三維流場(chǎng)計(jì)算然后進(jìn)行性能或流場(chǎng)分析對(duì)比并反復(fù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)以提高風(fēng)機(jī)效率；③采用給定角動(dòng)量的設(shè)計(jì)方法16，這與壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)方法111一樣，但只給中間流線(xiàn)加載，并且結(jié)合了邊界層計(jì)算，設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜。
近年來(lái)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)171.本文提出在離心風(fēng)機(jī)葉道內(nèi)采用可控減速設(shè)計(jì)方法，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(jì)高效的離心風(fēng)機(jī)兩元葉輪，并以9-19型離心風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法的研究。
9-9離心風(fēng)機(jī)是國(guó)內(nèi)推廣的高壓小流量風(fēng)機(jī)的典型代表，得到了廣泛的應(yīng)用。本文按6號(hào)風(fēng)機(jī)?；O(shè)計(jì)，確定單級(jí)單進(jìn)氣風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況流量為2900r/min.為了對(duì)比，本文僅重新設(shè)計(jì)9 -9風(fēng)機(jī)葉片，而保持葉輪的輪蓋、輪盤(pán)型線(xiàn)不變。首先，假設(shè)流道內(nèi)氣流的平均相對(duì)速度變化率沿半徑的分布為二次多項(xiàng)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(xiàn)積分就可得到葉片型線(xiàn)。
2正交優(yōu)化及設(shè)計(jì)結(jié)果bookmark2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有均勻分布、整齊可比的優(yōu)點(diǎn)。
本文采用常見(jiàn)的正交試驗(yàn)表見(jiàn)表1，對(duì)本文的3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果采用完全析因設(shè)計(jì)，需要27次計(jì)算而采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，只計(jì)算9次就可以得到所有結(jié)果中前3名的設(shè)計(jì)結(jié)果。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)流道內(nèi)氣流的相對(duì)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(duì)3個(gè)因素各取3個(gè)水平，將其代入正交表1.可調(diào)變量；為葉輪半徑。因?yàn)樵谌~片中間區(qū)域，葉片控制流動(dòng)分離的能力強(qiáng)，流動(dòng)效果好，因此應(yīng)采用較大的減速和擴(kuò)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(xiàn)m與葉輪半徑r及徑向氣流速度Cr與相對(duì)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(yàn)表己知葉輪過(guò)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(duì)速度分布為對(duì)表1中的9組設(shè)計(jì)參數(shù)所有進(jìn)行了葉片造型和相應(yīng)的風(fēng)機(jī)整機(jī)全三維數(shù)值模擬計(jì)算，由此得到效率頭等的設(shè)計(jì)結(jié)果。所得到的/'（r）曲線(xiàn)如所示，該曲線(xiàn)因素C為2 6即最小值。為原始9- 19風(fēng)機(jī)的葉片型線(xiàn)與正交優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的風(fēng)機(jī)葉片型線(xiàn)的對(duì)比圖。
優(yōu)化后的氣流減速函數(shù)/分布9-19風(fēng)機(jī)與優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的葉片型線(xiàn)對(duì)比優(yōu)化前后的風(fēng)機(jī)性能和流場(chǎng)對(duì)比分析31網(wǎng)格分布以及數(shù)值計(jì)算模型本文采用fluent軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。
計(jì)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(wàn)，葉輪網(wǎng)格數(shù)約50萬(wàn)，蝸殼網(wǎng)格約40萬(wàn)，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到157萬(wàn)時(shí)，計(jì)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(wú)關(guān)性的要求。同樣的計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算模型曾用于自主開(kāi)發(fā)的、具有準(zhǔn)確性能測(cè)試結(jié)果的離心風(fēng)機(jī)的性能和流場(chǎng)計(jì)算風(fēng)機(jī)的性能計(jì)算精度完全令人滿(mǎn)意8.計(jì)算模型采用三維N-S方程和RNGkre湍流模型?？刂品匠滩捎秒[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(wú)滑移條件，動(dòng)靜邊界采用MRF模型。
32優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)與原9-19風(fēng)機(jī)的全工況特性對(duì)比從非常明顯地看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的效率在大部分工況下都明顯高于原9-19風(fēng)機(jī)，其中設(shè)計(jì)流量時(shí)，全壓效率由原來(lái)的80 1%提高到848%效率提高達(dá)47%，小流量時(shí)全壓效率由原來(lái)的768%提高到804%.另外，設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)機(jī)全壓提高了35%，小流量時(shí)風(fēng)機(jī)全壓提高3%，但在大流量時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的壓力低于原風(fēng)機(jī)。這主要是因?yàn)樵?gt;19風(fēng)機(jī)采用了15%的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器，而優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)大了葉片直徑，只保留了較小的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器，從而可以采用后向葉片，這樣設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)就具有后向葉片的特性。盡管大流量時(shí)壓力下降，但避免了大流量時(shí)的前向葉片風(fēng)機(jī)過(guò)載特性所導(dǎo)致的燒毀電機(jī)的問(wèn)題。從計(jì)算的功率曲線(xiàn)看，優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)確實(shí)具有不過(guò)載特性。由于通過(guò)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)效率己經(jīng)達(dá)到84 8%令人滿(mǎn)意，而且壓力也與氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求差別不大，所以就沒(méi)有再進(jìn)行響應(yīng)面函數(shù)的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步選擇。
3優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)與原9-19風(fēng)機(jī)流場(chǎng)對(duì)比分析為設(shè)計(jì)工況下2個(gè)風(fēng)機(jī)葉輪跨盤(pán)蓋中心回轉(zhuǎn)面上的靜壓系數(shù)等值線(xiàn)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(jì)風(fēng)機(jī)的靜壓加比9-19風(fēng)機(jī)要均勻得多。另外，對(duì)設(shè)計(jì)流量下2種風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的渦量、速度、壓力分布等流動(dòng)參數(shù)也進(jìn)行了對(duì)比分析，優(yōu)化的風(fēng)機(jī)各種流場(chǎng)都明顯改善。
4結(jié)論初步性能試驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用可控減速正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，其壓力和效率的改善與數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果一致，因此可以得到如下結(jié)論。
OSH9風(fēng)機(jī)（b）優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪跨盤(pán)蓋中心回轉(zhuǎn)面上靜壓分布圖相比原9-19風(fēng)機(jī)，采用可控減速正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，流場(chǎng)分布大大改善，其流道內(nèi)靜壓加沿流線(xiàn)更加均勻，而且消除了葉輪出口流動(dòng)分離，同時(shí)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(jì)兩元離心風(fēng)機(jī)葉片的方法，所開(kāi)發(fā)的葉輪效率高，設(shè)計(jì)速度快，是行之有效的兩元離心風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)的新方法。