雙吸式離心通風機非定常流動特性及旋轉失速機理研究.pdf

1、通風機在低于設計流量的工況下運行時，會出現(xiàn)流動不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，這些不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生不僅增加了通風機的流動損失，降低了通風機的效率，而且嚴重影響了通風機運行的穩(wěn)定性和可靠性。本文以雙吸式離心通風機為研究對象，采用數(shù)值計算和實驗測量相結合的方法，對離心通風機的內流場進行定常和非定常計算的基礎上，采用能量梯度理論對離心通風機內的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象進行分析和解釋;討論了旋轉失速現(xiàn)象產生和發(fā)展過程，揭示了旋轉失速和喘振的關系;詳細描述了內、外特性隨流

2、量變化的統(tǒng)一性，建立了內流場的非定常流動特性與外特性曲線在時域和頻域上的關聯(lián);基于對雙吸式離心通風機內非定常流動特性的分析，提出了用于確定雙吸式葉輪最優(yōu)交錯角度的壓力分布法，并進行了實際工程應用和實驗驗證。
　　本文的主要研究內容和研究成果如下，
　　(1)為了與非定常流動特性進行更好的對比，首先對雙吸式離心通風機的內流場進行了定常數(shù)值計算。結果表明，風機外特性的計算結果與實驗結果基本吻合。通過對不同葉輪軸向位置和不同流量工

3、況下的氣流流動特性和能量梯度函數(shù)K值的分析，表明隨離心通風機流量的減小，邊界層分離首先發(fā)生在葉片吸力面的尾緣處，隨后有可能會發(fā)生在葉片壓力面的前緣處。對于葉片表面未發(fā)生邊界層分離的工況，葉片吸力面上的靜壓值在靠近葉片前緣處存在壓力最低點，葉片壓力面上的靜壓值在靠近葉片尾緣處存在壓力最高點。葉片表面發(fā)生邊界層分離后，葉片吸力面和壓力面上的靜壓曲線在靠近葉輪前緣處發(fā)生交叉。隨葉輪軸向位置和流量工況的變化，能量梯度函數(shù)K值的變化與流場中邊界層

4、分離和漩渦的分布發(fā)展規(guī)律相一致，說明能量梯度函數(shù)K的分布能較好地表征離心通風機內部不穩(wěn)定流動發(fā)生的位置和劇烈程度。
　　(2)對雙吸式離心通風機內的非定常流動進行了數(shù)值計算，風機外特性的實驗結果驗證了計算結果的準確性。重點分析了旋轉失速現(xiàn)象發(fā)生后流場的發(fā)展與變化，揭示了旋轉失速和喘振的關系。研究發(fā)現(xiàn)，當旋轉失速發(fā)生后，葉輪失穩(wěn)流道的出口處會形成低壓區(qū)。隨葉輪的旋轉，低壓區(qū)會聚集在一起，并周期性的經過和遠離風機蝸殼出口。隨流量的減小

5、，周期性經過蝸殼出口處的低壓區(qū)增大。在離心通風機實際的運行工況中，當流量非常低時，該低壓區(qū)經過蝸殼出口時，會占據蝸殼出口流通截面積的絕大部分區(qū)域。從而，風機排氣管出口處的總壓遠大于蝸殼出口處低壓區(qū)的總壓，在壓差和擾動的作用下，風機排氣管出口處的高壓區(qū)會驅動蝸殼出口處的低壓區(qū)形成倒流，導致喘振的發(fā)生。隨流量的減小，葉輪失穩(wěn)流道出口處的能量梯度函數(shù)K值增大。高K值區(qū)域，流體的能量梯度較大，會促進擾動的發(fā)展，在一定的條件下，會激勵喘振的發(fā)生。

6、即旋轉失速所產生的葉輪出口處的低壓區(qū)隨流量的減小而增大是引起喘振的內在原因。
　　(3)對雙吸式離心通風機內的壓力脈動特性進行了計算和實驗分析。采用高頻動態(tài)壓力傳感器對離心通風機蝸殼壁面的16個測壓點處的靜壓進行了實驗測量。16個測壓點分別沿離心通風機的周向、徑向和軸向布置。在通風機的數(shù)值計算中增加了葉輪出口處的3個測壓點。數(shù)值計算和實驗測量結果均預測了旋轉失速現(xiàn)象，獲得旋轉失速團的頻率為19Hz，實驗測量結果驗證了數(shù)值計算結果的

7、準確性。通過分析蝸殼壁面測壓點處壓力脈動的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)離心通風機在所研究的流量范圍內未發(fā)生喘振。對于穩(wěn)定運行工況，葉輪出口處的壓力脈動特性主要受“射流—尾跡”結構的影響。
　　(4)在對離心通風機內流場的非定常流動特性研究的基礎上，重點討論了三種流動狀態(tài)（靜態(tài)失速、弱旋轉失速和強旋轉失速）下，離心通風機的內、外非定常流動特性間的關聯(lián)關系。研究發(fā)現(xiàn)，離心通風機葉輪出口處測壓點上的壓力脈動特性隨流量的變化，可分為三個階段:a.在接近

8、額定流量工況下，葉輪出口處的壓力脈動是由葉輪出口處的“射流—尾跡”結構引起的。b.隨離心通風機流量的減小，葉輪出口處的壓力脈動源于“射流—尾跡”結構和葉輪出口處高速旋轉低壓單元的綜合影響。c.隨離心通風機流量的進一步減小，葉輪出口處的壓力脈動受“射流—尾跡”結構和葉輪出口處的低速旋轉低壓單元共同影響。葉輪出口處的旋轉低壓單元是由旋轉失速引起的。與此相對應，離心通風機的總壓曲線隨流量的變化，也可分為三個階段:a.在接近額定流量工況下，離心

9、通風機的總壓曲線隨時間基本為一固定值。b.隨離心通風機流量的減小，離心通風機的總壓曲線呈現(xiàn)高頻小幅波動。c.隨離心通風機流量的進一步減小，葉輪出口處的低壓單元隨葉輪的旋轉周期性的經過和遠離蝸殼出口，導致離心通風機總壓呈現(xiàn)低頻大幅的周期性波動。
　　(5)雙吸式葉輪的交錯角度影響著葉輪出口處的“射流—尾跡”結構，從而對離心通風機的性能有著一定的影響。在分析葉輪交錯角度對雙吸式離心通風機性能影響的基礎上，探討了雙吸式離心通風機最優(yōu)葉輪

10、交錯角度的確定方法。研究發(fā)現(xiàn)，對于性能最優(yōu)的交錯葉輪，在其葉輪出口處，一側葉輪的壓力極小值與另一側葉輪的壓力極大值恰好處于同一周向位置時，葉輪兩側的壓力在葉輪出口處達到平衡。在此基礎上，提出了用于判斷雙吸式離心通風機最優(yōu)葉輪交錯角度的壓力分布法。根據壓力分布法，推測出另一臺雙吸式離心通風機的最優(yōu)葉輪交錯角度為α=10°。對不同葉輪交錯角度下的該風機進行外特性實驗發(fā)現(xiàn)，交錯角度為10°的離心通風機性能最優(yōu)，這與數(shù)值預測結果相一致，從而驗證