葉片形狀優(yōu)化對雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響

葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的影響。目前很多學(xué)者研究了葉片出口安裝角的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及葉片高度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但是對于葉片形狀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究得較少。氣流在葉片的不同區(qū)域的流動有很大的不同。在葉輪前盤，氣流的流動方式主要是軸向流動。在葉輪的中后盤，氣流的流動方式主要是徑向流動。通過Fluent后處理計算得出蝸殼壁面區(qū)域于以上4個截面處所受粘性力大小Fν，測量力矩中心至力原點距離R，由額定工況下風(fēng)機(jī)總質(zhì)量流量q計算得單位質(zhì)量流體所受黏性力矩平均值mFR/q。通過這種方式，達(dá)到葉輪前盤向中后盤送風(fēng)，使葉輪中后盤出風(fēng)的目的。由此可見，通過對葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以在一定程度上增加葉片的送風(fēng)量以及有效通道的寬度，使得離心風(fēng)機(jī)的效率得到提高，從而保證金屬葉輪的平穩(wěn)運(yùn)行。

雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)具有體積小、壓力系數(shù)高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，是人們生產(chǎn)生活中必不可少的一種機(jī)器設(shè)備。離心風(fēng)機(jī)主要由集流器、蝸殼、電機(jī)以及葉片四個部件組成。各部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對離心風(fēng)機(jī)金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及生活水平的提高，對雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越受到人們的關(guān)注。雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)性能試驗原理及其裝置為了驗證修正后數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確度，對原風(fēng)機(jī)的不同工況氣動性能試驗。因此本文通過對集流器優(yōu)化、蝸殼優(yōu)化、電機(jī)優(yōu)化以及葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化，來觀察結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的離心風(fēng)機(jī)對金屬葉輪穩(wěn)定運(yùn)行的影響，以促進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)工作朝著更完善、更健康的方向發(fā)展。

雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)在大流量區(qū)計算值比實測值偏高，小流量區(qū)計算值比實測值偏低，但是整體上計算結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合。由效率曲線圖可知，大流量區(qū)計算結(jié)果比實測結(jié)果偏高，小流量區(qū)計算結(jié)果比實測結(jié)果偏低，說明計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合。試驗噪聲分析離心風(fēng)機(jī)的噪聲按照流體動力聲源的發(fā)聲機(jī)制，分為三類：1）單極子，2）偶極子，3)四極子，風(fēng)機(jī)正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲主要來源于偶極子源。通過實驗值與計算值的對比，CFX 軟件的數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果一致，由此驗證了采用CFX 軟件對帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬是可靠的。

試驗噪聲分析

離心風(fēng)機(jī)的噪聲按照流體動力聲源的發(fā)聲機(jī)制，分為三類：1）單極子，2）偶極子，3)四極子，風(fēng)機(jī)正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲主要來源于偶極子源。根據(jù)GB/T2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法標(biāo)準(zhǔn)》對有無進(jìn)氣箱離心風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行測試。試驗地點：浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實業(yè)有限公司CNAS 檢測中心；采用聲級計對風(fēng)機(jī)出口處的噪聲進(jìn)行測試，測試方式及儀器。測量時，除地面外無其他的反射條件，測點位置D 距地面的高度與風(fēng)機(jī)出口中心持平，水平方向上與出氣口軸線成45° ，距離出氣口中心L=1m。因此，必須優(yōu)化集流器結(jié)構(gòu)，通過減小集流器的錐度、增加喉部半徑的方式，提高離心風(fēng)機(jī)的效率，保證金屬葉輪的平穩(wěn)運(yùn)行。

雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)的噪聲在小流量區(qū)，帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)噪聲低于不帶進(jìn)氣箱，隨著流量的增加，帶進(jìn)氣箱的風(fēng)機(jī)噪聲顯著提高，在大流量區(qū)，明顯的高于不帶進(jìn)氣箱的噪聲。

1）雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)在進(jìn)氣箱出口與葉輪進(jìn)口處有渦旋產(chǎn)生，其位置與流量大小相關(guān)，渦旋的存在導(dǎo)致葉輪流道發(fā)生了堵塞，是離心風(fēng)機(jī)效率降低的原因之一。

2）加進(jìn)氣箱后，風(fēng)機(jī)葉輪尾緣的“尾跡-射流”現(xiàn)象更加的嚴(yán)重，且在小流量區(qū)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場存在偏心現(xiàn)象。

3）加進(jìn)氣箱后雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)不僅效率有所降低，其全開流量與壓力與無進(jìn)氣箱相比也有所下降，加進(jìn)氣箱后離心風(fēng)機(jī)較優(yōu)工況點向小流量區(qū)偏移，進(jìn)氣箱內(nèi)部流場的復(fù)雜性以及出口速度的不均勻性對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場分布產(chǎn)生了影響。

4）相比于無進(jìn)氣箱的情況下，加進(jìn)氣箱后，風(fēng)機(jī)隨流量的增加，噪聲提升的更快，且在大流量區(qū)明顯高于不帶進(jìn)氣箱的噪聲。

5）與實驗測試結(jié)果對比分析，結(jié)果表明采用數(shù)值模擬研究風(fēng)機(jī)性能是可行的。

為了提高掘進(jìn)工作面離心風(fēng)機(jī)導(dǎo)流效果， 提出對雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)圓弧形集流器加米字支撐架改造。通過建立離心風(fēng)機(jī)幾何模型和數(shù)值模型,并施加邊界條件，利用Fluent 軟件對加米字圓弧集流器和普通圓弧集流器離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了整機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值模擬， 采用Tecplot 軟件進(jìn)行后處理，顯示同流量下離心風(fēng)機(jī)的壓力云圖。一般來講，大型高速風(fēng)機(jī)軸承采用軸瓦，潤滑采用潤滑油強(qiáng)制噴射潤滑，高速旋轉(zhuǎn)的主軸懸浮于油膜上，正常工況時振動很低。

消聲蝸殼對雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)氣動性能的影響原風(fēng)機(jī)與不同消聲組合試驗所得的氣動性能對比如圖3 所示。試驗結(jié)果表明: 由于穿孔板相對于光滑的鋁板有著較高的壁面摩擦阻力，導(dǎo)致加裝穿孔板后的風(fēng)機(jī)壓力和效率在整個測試工況范圍內(nèi)都有不同程度的降低。在小流量區(qū)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場分布發(fā)生偏心現(xiàn)象(C處)，葉輪流道E側(cè)，氣體比較充實，葉輪流道F側(cè)氣體分布較差，與原始風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分布相比，其雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)葉輪流道的充盈性差。4種消聲組合方式的壓力損失并不相同，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速為3 800 r /min，在設(shè)計工況下，A 組合改進(jìn)風(fēng)機(jī)全壓降低了約16．0 Pa，效率下降了約1．28%; B 組合改進(jìn)風(fēng)機(jī)全壓降低了約5．0 Pa，雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)效率下降了約0．9%; C 組合改進(jìn)風(fēng)機(jī)全壓降低了約36．8 Pa，效率下降了約3．18%; D 組合改進(jìn)風(fēng)機(jī)全壓降低了約45．8 Pa，效率下降了約3．28%。

主要由于安裝穿孔板的面積不同，導(dǎo)致不同消聲組合方式的摩擦損失不同。B 組合即只在風(fēng)機(jī)后蓋板上安裝穿孔板，風(fēng)機(jī)壓力損失小。不同工況下，風(fēng)機(jī)壓力和效率損失也不相同，在設(shè)計工況及偏大流量工況下，雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)壓力和效率損失較大，效率也同步降低。主要原因是大流量工況下，蝸殼內(nèi)部氣流速度較高，氣流與穿孔板之間的摩擦損失增加。消聲蝸殼為A 組合形式時與原風(fēng)機(jī)的出口A聲級隨流量變化的對比圖。對于重要和安裝要求高的風(fēng)機(jī)，有必要設(shè)計和制作一個專用表架配合百分表進(jìn)行測量，雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)主要由抱箍、角鋼表架等組成。可以看出，不同工況下，A 型消聲蝸殼的降噪效果不同，雙進(jìn)風(fēng)離心風(fēng)機(jī)在額定工況點附近，降噪效果好; 在大流量工況下，降噪效果變差，這主要因為大流量情況下，蝸殼內(nèi)氣體流速較大，而氣體流速對吸聲材料的吸聲效果影響很大; 在小流量工況下，風(fēng)機(jī)流動惡化，風(fēng)機(jī)振動較大，導(dǎo)致振動噪聲很大以致降噪效果反而變差。與原風(fēng)機(jī)相比，在額定工況點A 聲級降低約4．5 dB( A) ，在大流量工況下，A 聲級降低約3．6 dB( A) ，在小流量工況下，A 聲級降低約1．9 dB( A) 。