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穆格進步風機維護的可猜測性 |
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作者：穆格元器件團體 |
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風機的壽命一般可以達到20年，但大部分風機的質(zhì)保范圍只是風機整個運行壽命最初的2~5年。隨著風機系統(tǒng)的老化，未必所有的風電場業(yè)主都做好了對風機進行維護的預備。其中部分情況是缺乏維護工作所需要的技術職員。況且即使配備了滿足風電場日常維修要求的技術職員，計劃外的維護還是會明顯影響到風電場的正常運行。
風電場業(yè)主、工程師、技術職員和風機制造商可以通過以下措施來降低計劃外維護的風險，即考慮采用維護要求低，甚至能提前告知何時失效的部件。聽上往有些不切實際，但事實并非如此。
體形雖小作用大
纖維刷滑環(huán)就是這樣一種產(chǎn)品（圖）。盡管在風機總本錢和風機設計中只是微不足道的一小部分，但滑環(huán)對風機的正常運行起著關鍵作用。滑環(huán)安裝在風機機艙罩中，通常用于提供變槳功率和控制所需的電氣信號和能量。滑環(huán)通過一個旋轉的接口輸送電功率和信號。
穆格公司的纖維刷滑環(huán)不僅維護要求低，而且能提前告知何時失效
滑環(huán)的工作原理是滑動觸點通過滑環(huán)總成里的旋轉接口傳輸電氣信號和能量。電刷（或接觸電刷）在旋轉的滑環(huán)上滑動，并在其旋轉過程中保持不中斷接觸。這就是說，為確保正確無誤的電氣信號傳輸，靜止的電刷和旋轉的滑環(huán)之間需要有“金屬間的接觸”。
纖維刷滑環(huán)能夠為風機業(yè)主提供至少1億轉次的工作壽命而無需維護，這意味著在風機20年的工作壽命中，技術職員可能僅需拆換滑環(huán)一次。但并不是所有的滑環(huán)都能達到這個要求，而是要了解滑環(huán)總成的設計和結構才能評估它們的維護需求。
市場分類
市場上約有10%的風機滑環(huán)是纖維刷滑環(huán)，這種滑環(huán)只需要很少量的維護。大部分（約60%）滑環(huán)由復合金屬電刷制成，一般是金屬和石墨燒結而成的導電塊。即使這種復合金屬刷滑環(huán)如其制造商所聲稱的具備高達7500萬轉次的工作壽命，也需要頻繁的維護。剩余30%的風機滑環(huán)采用單線貴金屬電刷（通常由黃金制成）。復合金屬電刷滑環(huán)和單線電刷滑環(huán)所需的維護量都遠遠大于纖維刷滑環(huán)。
原因在于復合電刷的設計是優(yōu)先磨損電刷以避免滑環(huán)磨損，因此需要足夠長的電刷才能最大限度地延長電刷更換周期。在大功率或高可靠性滑環(huán)應用中，這種材料面臨3方面挑戰(zhàn)：運行中產(chǎn)生的磨屑有導電性、研磨性且呈粉末狀，需定期清理；這種電刷材料對濕度十分敏感，若相對濕度低于15%或高于85%，會造成其磨損不均；用于信號級電路時，復合電刷會占據(jù)大量空間。
單線金屬電刷滑環(huán)相比復合電刷設計的上風，首先在于磨屑較少，另外則是用于信號電路時容量更高。但單線金屬電刷系統(tǒng)也存在缺點：單刷相對較小的尺寸導致載流能力有限；其次大部分黃金與黃金間的觸點需要潤滑，而始終保持充分的潤滑是十分困難的。
目前市場中開始出現(xiàn)動力電路采用石墨/金屬電刷、信號電路采用黃金單絲電刷的滑環(huán)設計。在滑環(huán)總成轉數(shù)要求低的應用中，這種“混合使用”能夠達到可接受的結果。但是在同一總成中混用“石墨/金屬”和“黃金接觸黃金”的電刷會使風機運行不可靠。石墨/金屬的磨屑會污染黃金的信號觸點，并產(chǎn)生研磨性金屬粉，尤其當存在會導致信號電途經(jīng)早失效的觸點潤滑油的時候。
纖維刷的設計是將多條金屬纖維絲捆扎成致密的多纖維“刷子”。一般情況下，這些纖維是與單線設計相當?shù)馁F金屬材料，且電刷運行所在的滑環(huán)也外鍍貴金屬。貴金屬的使用防止了觸點上產(chǎn)生氧化物和覆蓋層，同時確保了極小的接觸力。接觸力小降低了磨損速度，因而電刷產(chǎn)生的磨屑幾乎可以忽略。而且多條金屬纖維能夠提供優(yōu)良的導電性和很高的電流密度，工程師可以將纖維刷用于動力和信號兩種電路。
做出轉變
將復合金屬電刷滑環(huán)和單線金屬電刷滑環(huán)更換為纖維刷滑環(huán)十分簡單。但是一些風機業(yè)主對于是否用纖維刷滑環(huán)代替現(xiàn)有的滑環(huán)技術猶豫未定，這是由于他們懷有“嘗試新技術要承擔風險”的想法。而仔細考查過纖維刷滑環(huán)技術的人，會發(fā)現(xiàn)選擇一種幾乎不用維護的部件實際上就已經(jīng)消除了風險，也無需進行維護。
例如，纖維刷觸點對于風機機艙內(nèi)環(huán)境的敏感度遠低于其他滑環(huán)觸點。保護這些纖維刷滑環(huán)的防護外殼符合包括IP65在內(nèi)的各種標準。而且由于纖維刷觸點不需要潤滑，因此對低溫順高溫的承受能力都很強。纖維刷設計已經(jīng)證實能夠適應?55~+80℃的溫度，而且能夠在0~100%的相對濕度下運行。而復合電刷要求濕度在15%~85%之間才能可靠運行。
風電行業(yè)的相關人士都了解風機上的很多部件存在可靠性題目，而且對運行中導致部件故障的原因也有了更深刻的熟悉。但是滑環(huán)技術盡管有先進的設計和性能，依然被很多風電場業(yè)主所忽視。最初，大型風機制造商使用的是能在觸點產(chǎn)生金屬/石墨磨屑的復合電刷。為解決復合觸點產(chǎn)生的金屬粉末和磨屑，制造商轉而采用黃金觸點，纖維刷滑環(huán)在這些設計基礎上進行了新的改進。但很多情況下，風電場業(yè)主仍沿用老式滑環(huán)，甚至一年一換，但其仍然從原廠購買相同的設備。而這種做法又延續(xù)了一個不必要的維護和更換周期。
實際上，假如作為風機定期計劃維護的一項要求，將滑環(huán)更換為免維護的纖維刷技術只需30min即可完成。對于擁有、設計、運行和維護風機的人來說，纖維刷技術減少了風電場的計劃外維護題目。(end)
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收錄時間:2011年01月27日 23:08:13 來源:穆格元器件集團 作者:
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動葉可調(diào)增壓風機轉子的動態(tài)特性研究 |
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| 成玫 吳秉瑜
(質(zhì)量技術部)
摘 要：應用有限元建立動葉可調(diào)增壓風機轉子的模型并研究其動力學特性。首先在ABAQUS有限元軟件平臺下，建立了動葉可調(diào)增壓風機轉子的三維實體模型，通過對VDLOAD子程序的二次開發(fā)實現(xiàn)了非線性滾動軸承力載荷的有效模擬，實現(xiàn)了動葉可調(diào)增壓風機轉子在滾動軸承支撐條件下的動力學三維仿真分析。其中，對于滾動軸承模型，充分考慮了軸承間隙、軸承滾珠與滾道的非線性赫茲接觸力以及滾動軸承的實際接觸角,并將改進后的滾動軸承模型與已有的結論作比較，達到了較好的一致性，說明用該模型來分析轉子系統(tǒng)的動特性是可行的。繼而以該模型為基礎，在轉子不平衡和滾動軸承力的情況下，研究轉子系統(tǒng)的動力學特性。并觀察軸心軌跡圖、頻譜圖，發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律，為以后在現(xiàn)場中出現(xiàn)類似的故障信號作指導，節(jié)省維修時間和費用，提高工作效率。
關鍵詞：轉子 ABAQUS 滾動軸承 軸心軌跡
Dynamic analysis of a rotor of
moving blade adjustable booster fan
CHENG mei, WU Bing-yu
(Quality Management Department )
Abstract:The rotor model of the moving blade adjustable booster fan was set up by using the Finite Element modeling. Then dynamic properties of the rotor system were studied. Based on the platform of ABAQUS, we set up the three-dimension model of the a moving blade adjustable booster fan, used VDLOAD subroutine to simulate nonlinear ball bearing force, researched the dynamic characteristics of the rotor system under ball bearing support. The nominal contact angle of the ball bearing was introduced in the improved ball bearing method. And the result of the present method was in good agreement with the previous conclusions, so it was feasible using this method to predict the dynamic characteristics of rotor system. The simulation was employed to obtain the orbit of rotor center maps and frequency spectra , and the dynamics properties of the rotor system with the influence of rotor imbalance and the ball bearing force was analyzed. From the results of the simulation, we could draw a conclusion to analyze the failure phenomenon of the scene services, find out the causes and take effective measures to solve them. Through this way, we would improve work efficiency, save maintenance time effectively and reduce economize expenses.
Keywords:rotor , ABAQUS, ball bearing, orbit of rotor center
前言
有限元技術是工程技術領域進行科學計算的極為重要的方法之一，利用有限元可以分析十分復雜的工程結構的機械性能，也可以對各種工程事故進行技術分析，它的實質(zhì)就是把具有無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng)，理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題轉化為適合于數(shù)值求解的結構型問題，它的模擬是對真實情況的數(shù)值近似；并且隨著電子計算機技術和有限元數(shù)值仿真技術的發(fā)展，對大型設備進行數(shù)值仿真的計算技術更加趨于完善，計算結果的可信度也大大提高。現(xiàn)今的有限元分析軟件很多，有ABAQUS、ANSYS等等，本文就利用ABAQUS有限元軟件對動葉可調(diào)增壓風機的轉子進行了動特性研究。
1.動葉可調(diào)增壓風機轉子的計算模型
1.1 有限元模型的建立
對動葉可調(diào)增壓風機轉子采用了實體建模，模型中包括螺栓、倒角、軸肩、退刀槽等細節(jié)結構，以期計算模型盡可能地接近真實結構。在ABAQUS有限元軟件中對于葉片這種曲面的繪制不理想，因此先利用Catia軟件對增壓風機進行了三維實體建模（如圖1），然后將其模型導入ABAQUS軟件中。
1.1.1幾何模型簡化
數(shù)值仿真計算結果的正確與否以及精度的高低在很大程度上取決于有限元單元網(wǎng)格的質(zhì)量。本文需要計算的是動葉可調(diào)增壓風機轉子的振動特性，所以簡化的原則是不能改變結構的振動特性、剛度特性以及其他不影響計算的結構特性。在我們現(xiàn)階段的研究中，并沒有考慮由葉片產(chǎn)生的Alford力對轉子軸系動力學特性的影響，而只是考慮了轉子的偏心和軸承力這2個因素，同時這里的葉片是變截面彎扭葉片，難于劃分規(guī)則的網(wǎng)格，從而會降低計算精度。在傳統(tǒng)的計算中，一般會按照葉片和輪盤的質(zhì)量及轉動慣量，將其�；癁橐稽c，附加在轉子模型上進行求解，但這樣就無法反映出分布質(zhì)量和分布轉動慣量對臨界轉速的影響，以及由輪盤和葉片產(chǎn)生的離心力對軸的剛度的影響。大量的計算實例證明，有限元三維實體模型將更貼近實際[1-3]。因此本文中沒有將葉片作為附加質(zhì)量建立在轉子之上，而是采用了文獻[4]中提出的等密度�；�，忽略了實際的葉輪與轉子之間的鍵聯(lián)結關系，并將增壓風機轉子與葉片構建為一個整體，且保證�；昂蟮馁|(zhì)量和轉動慣量不變（如圖2）。另外，對于動葉可調(diào)增壓風機轉子這種復雜的設備，在進行有限元網(wǎng)格劃分之前有必要對一些嚴重影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的部分（如倒角、軸肩、退刀槽等）進行適當?shù)暮喕�。在保證質(zhì)量不變的情況下，本文將這些地方也進行了簡化，改善了網(wǎng)格劃分質(zhì)量（如圖3）。
1.1.2有限元網(wǎng)格劃分
有限元網(wǎng)格質(zhì)量的好壞是進行有限元數(shù)值仿真的基礎，對于動葉可調(diào)增壓風機轉子系統(tǒng)，本文選擇了六面體縮減單元C3D8R，整個模型共有2538個單元，2992個節(jié)點（如圖4）。而且，由于縮減積分單元在顯示動力學計算的過程中存在沙漏現(xiàn)象，即整個過程的動能和勢能總和超過了總能量值，使得結果精度變差, 負壓風機價格，所以本文采用了“Second-accuracy”的沙漏控制方法，對于網(wǎng)格的劃分及計算的選擇，是需要針對各自特定的使用場合，通過不斷的試用和比較，來選取最合適自己所分析的問題的方案。 1.2 邊界條件處理
在本文中對于軸承處的邊界條件處理，分為了兩種情況討論，分別為鉸支和考慮滾動軸承力的支承。首先，由于六面體單元的節(jié)點只有3個自由度，沒有旋轉自由度，所以本文在軸上設置了參考點，通過對參考點施加恒定的轉動速度來帶動整個軸的旋轉。
在鉸支情況下我們采取的邊界條件如下：全約束靠近渦輪盤一側的與軸承配合的連接面，而另一側與軸承配合的連接面處允許其軸向竄動。
對于軸承力，綜合考慮了軸承徑向間隙、非線性赫茲接觸以及支承剛度的周期變化等因素后，建立的滾動軸承支承力[5]如下：
滾動軸承的實際接觸角與軸承間隙時有關的，但在上式中并沒有考慮滾動軸承的實際接觸角，本文將滾動軸承的實際接觸角也計入公式中。設滾動軸承的接觸角為 ，則
為了驗證本文改進后的滾動軸承力是否正確，與文獻[6]中，Mevel建立的滾動軸承力進行了比較。轉子的旋轉速度為低轉速300 r/min時，可以觀察到由于軸承內(nèi)部剛度周期變化所引起的變?nèi)岫日駝莹D―VC振動（varying compliance vibration），VC振動的頻率為旋轉頻率的BN倍，BN是和軸承有關的系數(shù)，它取決于軸承尺寸。圖6為采用本文模型計算得到的X、Y方向振動位移，從圖6中可以清楚的看出，X、Y方向的運動是周期的，并十分明顯的表現(xiàn)出了滾珠的通過頻率，當一個滾珠離開載荷區(qū)的時候，轉子下降，并接觸一個新的滾珠，使顫振迅速出現(xiàn)和消失。該計算結果與Mevel[6]的計算結果（如圖5）達到了較好的一致性，說明本文進行改進后的滾動軸承力的計算公式的正確性。同時，由圖7的頻譜上可以看出，軸承的振動表現(xiàn)為旋轉頻率的BN倍及其諧波。 Fukata[7]的研究也表明，當轉速在遠離X和Y方向兩個臨界轉速時，運動是周期的，表現(xiàn)出滾珠的轉動頻率和它的諧波，這再一次驗證了本文改進后計算結果的正確性。
1.3 載荷施加
在鉸支情況下，施加的載荷是：整個轉子受重力的作用（如圖8），然后可以通過修改密度來達到實現(xiàn)偏心的目的。
對于滾動軸承力支承條件下，則將滾動軸承力施加在軸承處，但在ABAQUS中，像這種包含位移和速度參數(shù)的載荷并不能直接加載，需要借助于ABAQUS提供的二次開發(fā)平臺subroutine來實現(xiàn)，具體來說就是選用其中的VDLOAD子程序來寫入。程序以Fortran軟件為平臺接入，VDLOAD子程序的格式如下：
subroutine vdload (
C Read only (unmodifiable)variables -
1 nblock, ndim, stepTime, totalTime,
2 amplitude, curCoords, velocity, 降溫設備, dirCos, jltyp, sname, C Write only (modifiable) variable -
1 value )
include 'vaba_param.inc'
dimension curCoords(nblock,ndim), velocity(nblock,ndim),
1 dirCos(nblock,ndim,ndim), value(nblock)
character*80 sname
do 100 k=1, nblock
USER CODING TO DEFINE VALUE
100 continue
return
end
其中nblock，ndim，stepTime，totalTime，amplitude，curCoords，velocity，dirCos，jltyp，sname為subroutine提供的軟件接口，通過這些參數(shù)可以調(diào)用計算過程中模型某個或某些節(jié)點的坐標、速度等信息，還包含運算的時間步長、載荷的類型的信息。
在ABAQUS中, 工廠降溫設備，并不能對單個節(jié)點加載這種載荷，只能在桿單元、面單元和體單元上加載，因此我們借助桿單元來將滾動軸承力加載在轉子與軸承接觸的地方。具體的方法是在ABAQUS中建立兩段桿單元，分別與轉子tie在一起，tie在一起的節(jié)點具有完全相同的位移及轉速。將滾動軸承力加載在這兩段桿單元上，如圖9。 2.1 轉子不平衡
在ABAQUS中，通過修正一部分密度值，可以實現(xiàn)轉子不平衡的設置。對于上述建立的增壓風機轉子系統(tǒng)的三維實體模型，采用這個方法實現(xiàn)了轉子的不平衡，并進行了動特性分析，圖10-圖12是在不同的轉速下的X方向時域波形圖、轉子軌跡圖及頻譜圖。綜合比較，發(fā)現(xiàn)轉子系統(tǒng)的振動信號的原始時間波形為簡諧波，其軸心軌跡呈圓形，并且在振動信號的頻譜圖中，以轉子系統(tǒng)的基頻成分為主，在升降速的過程中，當轉子系統(tǒng)的工作轉速小于臨界轉速時，振動幅值隨轉速的增加而上升（如圖10-11），但在轉子系統(tǒng)的工作轉速大于臨界轉速之后，振動幅值隨轉速的增加法反而減小了（如圖11-12）。
 
2.2 軸承間隙
軸承是機械系統(tǒng)中重要的支承部件，其性能與工況的好壞將直接影響到與之相連的轉子的性能，并且軸承的徑向間隙是決定軸承-轉子系統(tǒng)動態(tài)響應的一個重要參數(shù)，因此，本文對滾動軸承間隙的變化對轉子系統(tǒng)動力學特性的影響也進行了研究。圖13是在相同的轉速下，不同軸承間隙的轉子頻譜圖。通過比較，發(fā)現(xiàn)隨著滾動軸承間隙的增加，頻譜圖中的振動幅值將逐漸增加，說明隨著滾動軸承間隙的增加，滾動軸承的動態(tài)剛度減小了，從而導致轉子系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性逐漸變差。
結論
首先在CATIA軟件中建立了動葉可調(diào)增壓風機的轉子系統(tǒng)的三維實體模型，通過一定的簡化原理，對原三維實體模型進行簡化并導入ABAQUS中，然后通過對ABAQUS的加載單元進行了二次開發(fā)，利用VDLOAD subroutine加載了滾動軸承力，即而進行了在轉子不平衡和不同的滾動軸承間隙下的有限元仿真計算，最后對軸承力的改進以及對仿真計算結果進行分析得到如下結論：
綜合考慮了軸承徑向間隙、非線性赫茲接觸、支承剛度的周期變化以及滾動軸承的實際接觸角等因素后，建立的滾動軸承支承力與文獻相比的結果較為符合，說明改進后的滾動軸承力模型的有效性。
在轉子不平衡情況下，轉子系統(tǒng)的振動信號的原始時間波形為簡諧波，其軸心軌跡呈圓形，并且在振動信號的頻譜圖中，以轉子系統(tǒng)的基頻成分為主，在升降速的過程中，當轉子系統(tǒng)的工作轉速小于臨界轉速時，振動幅值隨轉速的增加而上升，但在轉子系統(tǒng)的工作轉速大于臨界轉速之后，振動幅值隨轉速的增加法反而減小。
隨著軸承間隙的增加，使得滾動軸承的動態(tài)剛度減小，轉子系統(tǒng)的振動幅值增加，導致轉子系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性逐漸變差。
通過以上的分析，以后若在現(xiàn)場中出現(xiàn)了類似的故障信號時，我們則可以先察看是否是由于轉子的不平衡或軸承間隙過大造成的故障，繼而可以節(jié)省了維修時間和費用，提高生產(chǎn)率。
參考文獻：
黃茲思，蔣偉康，周易.雙轉子壓縮機振動的有限元數(shù)值分析與實驗研究.機械強度，2004第6期：P620-623
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于保敏，黃站立.離心泵轉子的有限元模態(tài)分析.機械工程師，2005第6期：P108-109
王超,王延榮,徐星仲等.應用三維有限元法計算汽輪機轉子臨界轉速和�；L葉片.動力工程，2007第27卷第6期:P840-844
陳果.具有不平衡-碰摩耦合故障的轉子―滾動軸承系統(tǒng)非線性動力學研究.振動與沖擊，2008第27期第4卷:P43-48
Mevle B, Guyader J L. Routes to chaos in ball bearings. Journal of Sound and Vibration,1993第162期3卷:P471-487
Fukata S, Gad E H, Kondou T, et al. On the radial vibration of ball bearings(computer simulation). Bulletin of the JSME, 1985第28期:P899-904
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收錄時間:2011年06月22日 11:39:54 來源: 作者:
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葉片彎曲對軸流風機內(nèi)部流場影響的數(shù)值模擬研究 |
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【英文題名】 Numerical Simulation to Blade Curving Influence Axial Fan\'s Internal Flow
【作者中文名】 張利蓉;
【導師】 毛君; 李蕾;
【學位授予單位】 遼寧工程技術大學;
【學科專業(yè)名稱】 機械設計及理論
【學位年度】 2007
【論文級別】 碩士
【網(wǎng)絡出版投稿人】 遼寧工程技術大學
【網(wǎng)絡出版投稿時間】 2007-08-23
【關鍵詞】 軸流通風機; 彎曲葉片; FLUENT; CFD; 數(shù)值模擬;
【英文關鍵詞】 Axial-fan; curving blade; FLUENT; CFD; Numerical Simulation;
【中文摘要】 隨著計算機硬件和計算流體動力學的飛速發(fā)展,運用數(shù)值模擬的方法對軸流風機內(nèi)部流場進行模擬,可以幫助我們得出指導性、方向性的結果,可以幫助選擇性能最佳設計,具有明顯的應用價值。 軸流風機是依靠葉輪旋轉時葉片產(chǎn)生的升力來輸送流體的,因此軸流風機的損失主要是流動損失。彎曲葉片一直是人們?yōu)楦纳骑L機性能,提高風機效率研究的重點。 本論文運用CFD軟件―FLUENT對軸流風機進行了三維數(shù)值模擬,選取礦用KJZ55型軸流風機及其后導葉作為研究對象,重點研究了風機葉片彎曲角度的變化對整機性能的影響,獲得了軸流風機內(nèi)部流場許多重要流動細節(jié)、規(guī)律及性能參數(shù)。模擬結果對優(yōu)化軸流風機的葉片形狀、改善風機性能提供了依據(jù),尤其是對彎曲葉片技術應用于普通風機提供新的嘗試,為提高軸流風機的效率提供參考。
【英文摘要】 With the development of computer hardware and computational fluid dynamics at very fast speed , simulating axial-fan’s the internal flow properly with numerical method can provide computational results in guiding the design and help us to choose the best design plan .Such effort is worthwhile since it greatly reduces the design periods. Axial-fan carry air by uplifted force that blade bring when circumvolving, so the primary of loss is flow loss. Curving blade is emphasis to try best to reform the...
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收錄時間:2011年01月07日 15:02:35 來源:ccen 作者:
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摘要：總結和闡述了離心透風機'>離心透風機內(nèi)葉輪'>葉輪的設計方法和利用邊界層控制技術進步離心透風機'>離心透風機葉輪'>葉輪性能等兩個方面的主要成果，指出了這些研究的特點，結合作者自己的研究工作對進步離心透風機性能提出了建議，并對該方面研究的發(fā)展進行了展看。
0、引言
離心式透風機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個部分,是主要的耗能機械之一，也是節(jié)能減排的一個重要研究領域。研究過程表明：進步離心透風機葉輪設計水平,是進步離心透風機效率、擴大其工況范圍的關鍵。本文將從離心透風機葉輪的設計和利用邊界層控制技術進步離心透風機葉輪性能這兩個方面，對近年來提出的進步離心透風機性能的方法和途徑的研究進行回納分析。
1、離心透風機葉輪的設計方法簡述
如何設計高效、工藝簡單的離心透風機一直是科研職員研究的主要題目，設計高效葉輪葉片是解決這一題目的主要途徑。
葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內(nèi)部活動的好壞直接決定著整機的性能和效率。因此國內(nèi)外學者為了了解葉輪內(nèi)部的真實活動狀況，改進葉輪設計以進步葉輪的性能和效率，作了大量的工作。
為了設計出高效的離心葉輪,科研工作者們從各種角度來研究氣體在葉輪內(nèi)的活動規(guī)律,尋求最佳的葉輪設計方法。最早使用的是一元設計方法[1]，通過大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和一定的理論分析，獲得離心透風機各個關鍵截面氣動和結構參數(shù)的選擇規(guī)律。在一元方法使用的初期，可以簡單地通過對風機各個關鍵截面的均勻速度計算，確定離心葉輪和蝸殼的關鍵參數(shù)，而且一般葉片型線采用簡單的單圓弧成型。這種方法非常粗糙，設計的風機性能需要設計職員有非常豐富的經(jīng)驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但是，大部分情況下，設計的透風機效率低下。為了改進，研究職員對葉輪輪蓋的子午面型線采用過流斷面的概念進行設計[2-3]，如此設計出來的離心葉輪的輪蓋為兩段或多段圓弧，這種方法設計的葉輪固然比前一種一元設計方法效率略有進步，但是該方法設計的風機輪蓋加工難度大，本錢高，很難用于大型風機和非標風機的生產(chǎn)。另外一個重要方面就是改進葉片設計，對于二元葉片的改進方法主要為采用等減速方法和等擴張度方法等[4]，還有采用給定葉輪內(nèi)相對速度W沿均勻流線m分布[5]的方法。等減速方法從損失的角度考慮，氣流相對速度在葉輪流道內(nèi)的活動過程中以同一速率均勻變化，能減少活動損失，進而進步葉輪效率；等擴張度方法是為了避免局部地區(qū)過大的擴張角而提出的方法。給定的葉輪內(nèi)相對速度W沿均勻流線m的分布是通過控制相對均勻流速沿流線m的變化規(guī)律，通過簡單幾何關系，就可以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法固然簡單，但也需要比較復雜的數(shù)值計算。
隨著數(shù)值計算以及電子計算機的高速發(fā)展，可以采用更加復雜的方法設計離心透風機葉片。苗水淼等運用“全可控渦”概念[6],建立了一種采用流線曲率法在葉輪流道的子午面上進行葉輪設計的設計方法,該方法目前已經(jīng)推廣至工程界,并已經(jīng)取得了明顯效果[7]。但是此方法中決定葉輪設計成功與否的關鍵,即如何給出子午流面上葉片渦的公道分布。這一方面需要具有較豐富的設計經(jīng)驗；另一方面也需要在設計過程中對設計結果精益求精以符合葉片渦的分布規(guī)律,以期終極設計出高效率的葉輪機械。對于整個子午面上可控渦的確定，可以采用rCu沿輪盤、輪蓋的給定，可以通過線性插值的方法確定rCu在整個子午面上的分布[8-9]，也可以通過經(jīng)驗公式確定可控渦的分布[10]，也有利用給定葉片載荷法[11]設計離心透風機的葉片。以上方法都是采用流線曲率法，設計出的是三元離心葉片，對于二元離心透風機葉片還不能直接應用。但數(shù)值計算顯示，離心透風機的二元葉片內(nèi)部活動的結構是更復雜的三維活動。因此，如何利用三維流場計算方法進一步來設計高效二元離心葉輪是進步離心透風機設計技術的關鍵。
隨著計算技術的不斷發(fā)展，三維粘性流場計算獲得了非常大的進步，據(jù)此，有一些研究者提出了近似模型方法。該方法是針對在工程中完全采用隨機類優(yōu)化方法尋優(yōu)時計算量過大的題目，應用統(tǒng)計學的方法，提出的一種計算量小、在一定程度上可以保證設計正確性的方法。在近似模型方法應用于葉輪'>葉輪機械氣動優(yōu)化設計方面,國內(nèi)外研究者們已經(jīng)做了相當一部分工作[12-14],其中以響應面和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法應用居多。如何有效地將近似模型方法應用于多學科、多工況的優(yōu)化題目,并用較少的設計參數(shù)覆蓋更大的實際設計空間,是一個重要的課題。
2007年，席光等提出了近似模型方法在葉輪'>葉輪機械氣動優(yōu)化設計中的應用[15]。近似模型的建立過程主要包括:（1）選擇試驗設計方法并布置樣本點,在樣本點上產(chǎn)生設計變量和設計目標對應的樣本數(shù)據(jù)；（2）選擇模型函數(shù)來表示上面的樣本數(shù)據(jù)；（3）選擇某種方法,用上面的模型函數(shù)擬合樣本數(shù)據(jù)，建立近似模型。以上每一步選擇不同的方法或者模型，就相應產(chǎn)生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利于更正確地洞察設計量和設計目標之間的關系，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函數(shù)的計算分析程序，可以為工程優(yōu)化設計提供快速的空間探測分析工具，降低了計算本錢。在氣動優(yōu)化設計過程中，用該模型取代耗時的高精度的計算流體動力學分析,可以加速設計過程,降低設計本錢�；诮y(tǒng)計學理論提出的近似模型方法，有效地平衡了基于計算流體動力學分析的葉輪機械氣動優(yōu)化設計中計算本錢和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將響應面方法、Kriging方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術成功地應用于葉輪機械部件的優(yōu)化設計中，在離心壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流泵葉輪設計等題目中得到了成功應用,展示了廣闊的工程應用遠景。目前，席光課題組已經(jīng)建立了離心壓縮機部件及水泵葉輪的優(yōu)化設計系統(tǒng)，并在工程設計中發(fā)揮了重要作用。
2008年，李景銀等在近似模型方法的基礎上提出了控制離心葉輪流道的相對均勻速度優(yōu)化設計方法[16]，將近似模型方法較早的應用于離心透風機'>離心透風機葉輪設計。該方法通過給出流道內(nèi)氣流均勻速度沿均勻流線的設計分布，設計出一組離心風機參數(shù)，根據(jù)正交性準則，在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎上，采用正交優(yōu)化方法進行優(yōu)化組合，并結合基于流體動力學分析軟件的數(shù)值模擬，終極成功開發(fā)了與全國推廣產(chǎn)品9-19同樣設計參數(shù)和葉輪大小的離心透風機'>離心透風機模型，計算全壓效率進步了4%以上。該方法簡單易行、公道可靠，得到了很高的設計開發(fā)效率。
隨著理論研究的不斷深進和設計方法的不斷進步，對于降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施，進步離心風機效率的研究，將會更好的應用于工程實際中。
2、改善離心透風機內(nèi)葉輪活動的方法
葉輪是離心風機的心臟，離心風機葉輪的內(nèi)部活動是一個非常復雜的逆壓過程，葉輪的高速旋轉和葉道復雜幾何外形都使其內(nèi)部活動變成了非常復雜的三維湍流活動。由于壓差，葉片通道內(nèi)一般會存在葉片壓力面向吸力面的二次活動，同時由于氣流90°轉彎，導致輪盤壓力大于輪蓋壓力也形成了二次流，這一般會導致葉輪的輪蓋和葉片吸力面區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)甚至分離，形成射流?尾跡結構[17]。由于射流?尾跡結構的存在，導致離心風機效率下降，噪聲增大。為了改善離心葉輪內(nèi)部的活動狀況，進步葉輪效率，一個重要的研究方向就是采用邊界層控制方式進步離心葉輪性能，這也是近年的熱門研究方向。
2007年，劉小民等人采用邊界層主動控制技術在壓縮機進氣段選擇性布置渦流發(fā)生器，從而改變?nèi)~輪進口處流場,通過數(shù)值計算對不同配置參數(shù)下離心壓縮機性能進行對比分析[18]。該文章對渦流發(fā)生器應用于離心葉輪內(nèi)活動控制的效果進行了初步的驗證和研究,通過數(shù)值分析表明這種方法確實可以改善葉輪內(nèi)部活動,達到進步葉輪性能的效果。但是該主動控制技術結構復雜，而且需要外加控制設備和能量，對要求經(jīng)濟耐用的離心透風機產(chǎn)品不具有競爭力。
采用邊界層控制方式進步離心葉輪性能的另外一種方法就是采用自適應邊界層控制技術。1999年，黃東濤等人提出了離心透風機葉輪設計中采用是非葉片開縫方法[19-20]，該方法采用的串列葉柵技術，綜合了是非葉片和邊界層吹氣兩種技術的優(yōu)點，利用邊界層吹氣技術抑制邊界層的增長，進步效率，而且試驗結果表明[20]，該方法可以有效的進步設計和大流量下的風機效率，但對小流量效果不明顯。文獻[21]用此思想解決了離心葉輪內(nèi)部積灰的題目。固然串列葉柵技術在離心壓縮機葉輪[20]內(nèi)沒有獲得效率進步的效果，但從文獻內(nèi)容看，估計是由于該文作者主要研究的是串聯(lián)葉片的相位效應，而沒有研究串聯(lián)葉片的徑向位置的變化影響導致的。
理論和試驗都表明，離心葉輪的射流尾跡結構隨著流量減小更加強烈，而且小流量時，尾跡處于吸力面，設計流量時，尾跡處于吸力面和輪蓋交界處。為了進步設計和小流量離心透風機效率，2008年，田華等人提出了葉片開縫技術[22]，該技術提出在葉輪輪蓋與葉片之間葉片尾部處開縫，引用葉片壓力面?zhèn)鹊母邏簹怏w吹除吸力面?zhèn)鹊牡退傥槽E區(qū)，直接給葉輪內(nèi)的低速流體提供能量。終極得到在設計流量和小流量情況下，葉輪開縫后葉片表面分離區(qū)域減小，整個流道速度和葉輪內(nèi)部相對速度分布更加均勻，且最大盡對速度明顯減小的結果。這種方法改善了葉輪內(nèi)部流場的活動狀況，達到了進步離心葉輪性能和整機性能的效果，而且所形成的射流可以吹除葉片吸力面的積灰，有利于葉輪在氣固兩相流中工作。
2008年，李景銀等人提出在離心風機輪蓋上靠近葉片吸力面處開孔的方法[23]，利用蝸殼內(nèi)的高壓氣體產(chǎn)生射流，從而直接給葉輪內(nèi)的低速或分離流體提供能量，以減弱由葉輪內(nèi)二次流所導致的射流-尾跡結構，并可用于消除或解決部分負荷時,常發(fā)生的離心葉輪的積灰題目。通過對離心風機整機的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)輪蓋開孔后，在設計點四周的風機壓力進步了約2％，效率進步了1％以上，小流量時壓力進步了1.5％，效率進步了2.1％。在設計流量和小流量時，由于輪蓋開孔形成的射流，可以明顯改善葉輪出口的分離活動，減小低速區(qū)域，降低葉輪出口處的最高速度和速度梯度，從而減弱了離心葉輪出口處的射流?尾跡結構。此外，沿葉片表面活動分離區(qū)域減小，壓力增加更有規(guī)律。輪蓋開孔方法可以進步設計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能，假如結合離心葉輪串列葉柵自適應邊界層控制技術，有可能全面進步離心葉輪性能。
3、結論
綜上所述,近年來對離心透風機'>離心透風機葉輪'>葉輪內(nèi)部活動的研究取得了明顯進展,有些研究成果已經(jīng)應用到實際設計中，并獲得令人滿足的結果。目前,對離心透風機'>離心透風機葉輪'>葉輪內(nèi)部活動的研究還是比較活躍的研究領域之一，筆者以為可在如下方面進行進一步研究：
�。�1）如何將近似模型方法在透風機方面的應用進行更深進的研究，結合已有的葉片設計技術，探索更加高效快速的優(yōu)化設計方法；
�。�2）如何將串列葉柵、輪蓋開孔和葉片開縫等離心葉輪自適應邊界層控制技術結合起來，在全工況范圍內(nèi)改善離心透風機葉輪的性能，進步離心風機的效率；
（3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心透風機葉輪內(nèi)部的活動均仍以定常計算為主，隨著動態(tài)試驗和數(shù)值模擬的發(fā)展,人們對于葉輪機械內(nèi)部活動的非定�，F(xiàn)象及其機理將越來越清楚,將非定常的研究成果應用于設計工作中是非常重要的方面。
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收錄時間:2011年03月09日 14:23:23 來源:風機技術網(wǎng) 作者:
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