三元流動(dòng)理論在高壓離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、- Page 1-林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 設(shè)計(jì)計(jì)算 林林業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)械械與與木木工工設(shè)設(shè)備備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林林業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)械械與與木木工工設(shè)設(shè)備備 三元流動(dòng)理論在高

2、壓離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 王振東 （哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所 ，黑龍江 哈爾濱 150086） 摘 要 ：通過(guò)對(duì)一些林業(yè)機(jī)械用高壓小 比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)及其氣動(dòng)損失 的分析 ，提 出了改進(jìn)風(fēng)機(jī) 葉輪 結(jié)構(gòu) 的措施 。依據(jù)三元流動(dòng)理論，采用變分有 限元法對(duì) 葉輪 葉道 內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行 了計(jì)算 ，從理論上分析所采取措施 的 正確性 ，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行 了驗(yàn)證 。 關(guān)鍵詞 ：離心風(fēng)機(jī) ；葉片；氣動(dòng)損失；三元流動(dòng) 中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： 文章編號(hào)： （ ） TH112 A 1001-4462 2004 08-0021-03 離心風(fēng)機(jī)作為一種通用機(jī)械 ，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 。 有 限數(shù) 目葉片 的葉輪

3、中流動(dòng) ，葉片又具有一定厚度 ，所 其在林業(yè)機(jī)械 中也得到 了大量應(yīng)用 ，如常用 的彌霧噴 以氣體在 葉輪 內(nèi)流動(dòng) 時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生能量損失 。其損失 粉機(jī) 、風(fēng)力滅火機(jī) 、氣力播種機(jī) ，及其它清掃和木材綜 主要有 葉輪 葉道 內(nèi)的摩擦損失、接近 葉輪 出 口處 的邊 合利用設(shè)備等 。由于林業(yè)機(jī)械作業(yè)對(duì)象和對(duì)機(jī)具性能 界層分離損失和 葉輪入 口處的沖擊損失。 的要求 ，在 彌霧 噴粉機(jī) 、風(fēng)力滅火機(jī) 、氣力播種機(jī)上所 由于葉道的寬度是隨著葉片數(shù)變化的，葉片數(shù)多，氣 使用 的風(fēng)機(jī)均系高壓小 比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī) 。 體與葉輪接觸面積增加，故而氣體在葉輪中的分離損失減 根據(jù)一般的設(shè)計(jì)規(guī)范，這類(lèi)風(fēng)機(jī)葉輪寬度相

4、對(duì)很窄， 小，但摩擦損失增大。反之分離損失增大，摩擦損失減小。 而且葉片數(shù)又較多，為獲得高壓，葉片均系前 向。這樣，在 另外，葉片數(shù)的增加，也會(huì)使葉輪入 口處的沖擊損失增加。 葉輪進(jìn) 口處阻塞 比較嚴(yán)重，入 口沖擊損失和摩擦損失較 由此可知 ，葉片數(shù)對(duì) 葉輪 的能量損失起著重要作 大，分離損失也較嚴(yán)重。針對(duì)這一特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上述用途 用，減少?zèng)_擊損失和摩擦損失與減少分離損失是相互矛 的離心風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和 內(nèi)部流動(dòng)特性，進(jìn)行 盾 的。尤其是對(duì)高壓小 比轉(zhuǎn)數(shù)風(fēng)機(jī)葉輪，其寬度較窄、葉 合理設(shè)計(jì)，以期得到性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的高效風(fēng)機(jī) 。 片數(shù)較多，葉輪 的氣動(dòng)損失比較大，造成風(fēng)機(jī)效率低 。 1

5、.2 改進(jìn)措施 1 風(fēng)機(jī) 葉輪氣動(dòng)損失分析 由于 葉輪 內(nèi)氣體流動(dòng) 的復(fù)雜性和測(cè)試 困難 ， 目前 1.1 氣動(dòng)損失分析 還 沒(méi)有 建 立起 葉片數(shù) 和 三 種 氣 動(dòng) 損 失之 間 的數(shù) 學(xué)模 離心風(fēng)機(jī)在實(shí) 際工作 中，由于氣體具有黏性 ，且在 型，無(wú)法采用最優(yōu)化計(jì)算方法確定葉片數(shù) 。所 以我們?cè)?收稿 日期 ： 葉片結(jié)構(gòu)上采取措施 以減少氣動(dòng)損失，提 出采用長(zhǎng) 、短 2004-01-13 ! 2003 年 10 月，由國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究 3500kg 樟子松球果經(jīng)干燥后 出種量為 70kg，達(dá)到 所研制 的該設(shè)備在大興安嶺加格達(dá)奇營(yíng)林局技術(shù)推廣 了 50kg 球果 出 1kg 種

6、子 的比率，比 自然晾曬提高近一 站安裝 ， 年 月對(duì)該設(shè)備進(jìn)行 了調(diào)試驗(yàn)收，總烘干 倍（原 自然晾曬為每 球果 出 種子 ）。現(xiàn) 2004 4 50kg 0.40.6kg 量為 3500kg 樟子松球果，干燥周期為 5 天 ，球果開(kāi)裂程 在市場(chǎng)上樟子松種子 的價(jià)格大約為 600 元 /kg，這樣就 度達(dá)到 99%。隨后進(jìn)行 了種子成活實(shí)驗(yàn) ，成活率達(dá)到 大大提高了經(jīng)濟(jì)效益 。 98%。實(shí)驗(yàn)表 明，新型熱源加熱效率極高，最高可使干燥 該設(shè)備干燥周期短 ，熱效率高 ，除可進(jìn)行林木球果 間內(nèi)溫度達(dá)到 75，并徹底杜絕 了火險(xiǎn)隱患。由計(jì)算機(jī) 調(diào)制外 ，還可 為 當(dāng)?shù)?的林副產(chǎn) 品服務(wù) ，例如木耳 、

7、磨姑 自動(dòng)控制干燥 間內(nèi)溫濕度 ，誤差小，效率高 。采用層架 和 山野菜 的烘干 ，只需在干燥工藝上作一些調(diào)整 即可 ， 式結(jié)構(gòu)裝卸方便 ，球果受熱均勻 ，開(kāi)裂一致 。 這為地方經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展帶來(lái) 了很大 的效益空間。 21 第 32 卷 2004 年 第 8 期 - Page 2- 設(shè)計(jì)計(jì)算 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械

8、與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林林業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)械械與與木木工工設(shè)設(shè)備備 葉片相結(jié)合并適當(dāng)增加葉片數(shù)的方法。 普通離心風(fēng)機(jī)葉輪的葉片都一樣長(zhǎng)，如果為減少 分離損失而增加葉片數(shù)勢(shì)必使葉輪入口阻塞嚴(yán)重，使 沖擊和摩擦損失增加。但如果在增加葉片數(shù)的同時(shí)，將 一部分葉片的前端截去，成為短葉片，這樣就能減輕葉 片入口阻塞，減少?zèng)_擊和摩擦損失。而且在葉輪出口處 葉片數(shù)又較多，減少了分離損失?？梢?jiàn)，采用長(zhǎng)、短葉片 相結(jié)合的形式可以解決

9、前面提出的矛盾和問(wèn)題。 根據(jù)上面提出的措施，設(shè)計(jì)試驗(yàn)了三種形式葉輪， 圖 2 S1 流面求解域示意圖 其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖 1。一是依據(jù)設(shè)計(jì)要求，按照一般的 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了普通長(zhǎng)葉片的葉輪 1，葉片數(shù)為 12；二 量綱氣動(dòng)方程組： 是保持葉輪 1 的其它參數(shù)不變，將其葉片一半變成短 ? （ p wl ）+ ? （ p w ）=0 葉片，一半仍為長(zhǎng)葉片，長(zhǎng)、短相間隔，得到葉輪 2；三是 ? l ? l ? （ ） 將葉輪 1 的葉片適當(dāng)增加到 16，并把葉片設(shè)計(jì)成一半 ? wl + w +wl =0 為短葉片，一半為長(zhǎng)葉片，得到葉輪 3。三個(gè)葉輪的葉片 ? ? l 1 2 2 m " #

10、! 都是由三段圓弧組成，以保持葉道為等當(dāng)量擴(kuò)張角。由 p = 1- （w -u ） $ 2m % 于所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)是高壓離心風(fēng)機(jī)，所以葉片為前向。下 " " #! 式中： 、 、 分別表示 、 、 和聲速的 面利用三元流動(dòng)理論對(duì)三種形式葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì) wl w u p wl w u p 比值， （ ）為氣體絕熱指數(shù)， 、分別為氣體的 算，從理論上分析改進(jìn)措施的合理性。 m=1/ k-1 w u 相對(duì)速度和葉輪的圓周速度， 和 分別表示 流面 p S1 厚度和半徑。 對(duì)具體葉輪取一個(gè)葉片間距作為求解域，上面的 氣動(dòng)方程組定解問(wèn)題與一個(gè)有條件的變分問(wèn)題等價(jià)。 變分 （ ）為：

11、 J* （ ） （ ） J* = G + q ds 葉輪 1 葉輪 2 & 1d ( n n pr A c +c + C 1 3 Ii I = 1 G = 1- 1 ? 2+ ? 2/ 2-2u ? / mk $) *) * ) * *% 1 k + 2m ? ? ? , 式中： 為無(wú)量綱勢(shì)函數(shù)，（ ） 為給定密流。 qn pr 依據(jù)上面的公式，用 FORTRAN 語(yǔ)言編制了有限元 計(jì)算程序。通過(guò)計(jì)算得到葉片吸力面和壓力面相對(duì)速 葉輪 3 度分布，見(jiàn)圖 3。 圖 1 試驗(yàn)葉輪結(jié)構(gòu)示意圖 從三個(gè)葉輪的相對(duì)速度分布曲線(xiàn)看，葉輪 1 吸力 面和壓力面速度差最大，葉輪 2 次之，葉輪 3 最小

12、。 2 葉輪內(nèi)部三元流動(dòng)的變分有限元分析 平均相對(duì)速度變化趨勢(shì)是：對(duì)葉輪 1，從進(jìn)口到出 應(yīng)用三元流動(dòng)理論和變分原理，對(duì)葉輪 、 的 口整個(gè)過(guò)程都是減速的；對(duì)葉輪 2，進(jìn)口處先減速，中間 1 2 3 S1 流面進(jìn)行有限元計(jì)算。由于實(shí)際設(shè)計(jì)的葉輪進(jìn)、出口寬度 基本保持不變，出口處稍減速；對(duì)葉輪 3，進(jìn)口處先減 相對(duì)葉輪直徑很小，在計(jì)算時(shí)，假定 S1 流面是不同半徑 速，中間不變，出口處稍加速。下面依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)三 處葉道寬度的中點(diǎn)連線(xiàn)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)而成，所以 S1 流面為 個(gè)葉輪性能加以分析。 一旋轉(zhuǎn)面，流面的厚度隨半徑變化，其值等于葉道寬度。 由于葉輪 1 的葉片吸力面與壓力面相對(duì)速度差較 對(duì)圖

13、2 所示的坐標(biāo)系，當(dāng)氣體在以等角速度旋轉(zhuǎn) 大，故其內(nèi)部氣流速度分布梯度大，速度不均勻現(xiàn)象較 的葉輪內(nèi)流動(dòng)時(shí)，氣體在 S1 流面上的流動(dòng)滿(mǎn)足下面無(wú) 其它葉輪嚴(yán)重，而速度越不均勻，分離損失越大。所以 22 2004 年 第 8 期 第 32 卷 - Page 3-林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 設(shè)計(jì)計(jì)算 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木

14、工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 林林業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)械械與與木木工工設(shè)設(shè)備備 流動(dòng)狀態(tài)，從而使出口段的氣體分離情況得到改善，減 少了分離損失。 通過(guò)上面的對(duì)比分析可知，在不增加葉片數(shù)的情 況下，采用長(zhǎng)、短葉片結(jié)構(gòu)，雖然能改善進(jìn)口段和中間 段平均相對(duì)速度的變化趨勢(shì)，使氣體分離點(diǎn)向后移，但 出口段流動(dòng)情況基本沒(méi)有得到改善。若采用長(zhǎng)、短葉片 后再適當(dāng)增加葉片數(shù)，如葉輪 3，則可使葉道內(nèi)的平均 相對(duì)速度變?yōu)橐环N先減速、然后基本不變、最后稍呈加 速這樣一種合

15、理的分布形式。據(jù)此可以預(yù)測(cè)葉輪 3 的 性能應(yīng)優(yōu)于其它兩個(gè)葉輪。下面通過(guò)試驗(yàn)對(duì)理論分析 的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 用同一蝸殼對(duì)設(shè)計(jì)的三個(gè)葉輪進(jìn)行了出氣性能試 驗(yàn)。 通過(guò)試驗(yàn)可知葉輪 3 在壓力、流量、效率等性能上 都比其它兩個(gè)葉輪好，葉輪 1 的性能最差。另外，葉輪 2 和葉輪 3 的壓力流量曲線(xiàn)比較平坦，使風(fēng)機(jī)有效工作 區(qū)域變寬，這也是葉輪內(nèi)部氣體流動(dòng)得到改善的結(jié)果。 對(duì)比理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二者是相吻 合的，表明了理論分析的正確性。 4 結(jié) 論 根據(jù)前面的理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，可以得到下面 兩點(diǎn)結(jié)論。 將三元流動(dòng)理論應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)部流動(dòng)特性 圖 3 試驗(yàn)葉輪相對(duì)速度分布曲線(xiàn) 分析，采用有限元法對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算求出相 對(duì)速度分布形式，據(jù)此預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)葉輪的氣動(dòng)性能是 從速度分布不均勻引起損失看，葉輪 1 較其它兩個(gè)葉 可行的，并減少了試驗(yàn)的工作量。 輪嚴(yán)重，葉輪 3 最小。 對(duì)高壓小比轉(zhuǎn)數(shù)離心風(fēng)機(jī)，在葉輪結(jié)構(gòu)上采用 從平均相對(duì)速度的變化趨勢(shì)看，由于葉輪 1 的平 長(zhǎng)、短葉片并適當(dāng)增加葉片數(shù)，能夠改變?nèi)~道內(nèi)氣體相 均相對(duì)速度是一種減速結(jié)構(gòu)，葉道內(nèi)氣體始終是處于 對(duì)速度的分布形式，減少氣動(dòng)損失，提高風(fēng)機(jī)性能。另 逆壓梯度流動(dòng)狀態(tài)，也即自葉輪進(jìn)口至出口氣流的靜 外，還使壓力流量曲線(xiàn)變得比較平坦，擴(kuò)大了風(fēng)機(jī)的 壓逐漸增加。這樣就易使氣流