叶轮出口安装角的分析

 

2020-06-19 10:41

  叶轮出口安装角的分析_能源/化工_工程科技_专业资料。叶轮出口安装角的分析

  叶轮出口安装角的分析 特灵空调系统(中国)有限公司 廖红桃 王忠良 摘要 本文以某一吸尘器用低比转速离心风机为原型,为了提高的风机效率和流动状况,针对该离心 风机的出口安装角进行研究。对叶轮各参数的优化研究中,针对冲角和进口安装角进行研究的文章 较多,对叶轮叶片出口角的关注,在泵的研究上有一些,而在风机上较少。而叶片的出口角对叶栅 的通流能力、损失大小和做功多少都有较大影响。文献[1]认为在叶片的几个参数中,出口安装角对 叶片全压的影响最大。本章对该离心风机不同出口安装角的叶轮进行数值模拟,预测了叶轮的性能 曲线,并对叶轮内部和无叶扩压器内的流动进行了分析。 关键词 离心叶轮 出口安装角 §1 基本理论 §1.1 叶型参数 叶型是指叶片的横截面形状,它的周线称为型线 中所示的几个几何性质 和参数描述。 图 1 进出口速度三角形 b——弦长,叶型中线两端点连线方向上叶型的最大长度。 t——栅距,即叶栅中两相邻叶型之间的距离。 τ ——叶栅稠度, τ = b t ,其倒数称为相对栅距。 β A ——叶型安装角,即叶型弦线与圆周方向(即额线A ——进口安装角,即叶型前缘中线切线 A ——出口安装角,即叶型后缘中线切线 ——进口相对速度气流角,即进口相对速度 w 1 与额线 ——出口相对速度气流角,即出口相对速度 w 2 与额线 ——进口绝对速度气流角,即进口绝对速度 c1 与额线 ——出口绝对速度气流角,即出口相对速度 c 2 与额线的夹角。 σ —— 气 流 出 口 落 后 角 , 叶 型 中 线 在 后 缘 点 的 切 线 与 出 口 处 气 流 相 对 速 度 w2 的 夹 角 。 σ = β 2A ? β 2 θ——叶型弯折角。θ= β 2 A - β1A 其中 β 2 A 就是本章要关注的重点,出口安装角 β 2 A (下文简称出口角)的大小与叶轮的做功能 β1A 不变, β 2 A 改变了,叶栅的叶型转折角θ就相应 力直接相关,而对双圆弧叶片而言,若入口角 跟着变化了。 §1.2 速度三角形 离心叶轮叶片的进出口速度三角形见图 1,叶轮工作时,设气流在风机入口截面处沿周向均匀 进气,则叶片进口速度: c1 = π 4 φv D 2 (1 ? d ) 2 (1) 式中: φv ——通风机流量,单位 m3/s; D ——叶轮外径,单位 m; 在入口截面,气流的绝对速度为 c1 , 相 对 速 度 w1 , 牵 连 速 度 为 圆 周 速 度 u1 , 且 = w2 + u 2 。其中: (2) c1 = w1 + u1 。当气流流过叶轮叶片间的弯曲流道时,气流改变了流动方向。在叶片出口处,气流 的绝对速度为 c2 ,相对速度 w2 ,牵连速度为圆周速度 u2 ,且有 c 2 u1 = R 1ω , u 2 = R 2ω 式中: ω ——叶轮旋转角速度,单位:rad/s。 §2 物理模型 本文采用的叶轮叶片为等厚度双圆弧型叶片。机翼型叶片的气动性能较好,但是这种叶片的制 造工艺相对复杂,比单圆弧叶片笨重、转动惯量大、不易加工,所以虽然效率稍高,但在离心风机 中并不常用。为了加工工艺简单,目前离心风机很多采用的还是圆弧型叶片。对于单圆弧叶片而 言,一旦形状确定,叶轮的进口安装角和出口安装角是相互关联的,无法随意改变,也因此单圆弧 叶片的可变参数少,其对应的叶轮参数的优化就十分有限。试验表明,在强后弯型叶轮上采用的三 圆弧叶片性能,不如单圆弧叶片好[4]。而双圆弧叶片则有厚度一致、绘图简单、制造方便,不仅可 以满足强度要求,而且能够保证叶轮的压头、流量、效率等的优点。 图2 单圆弧叶片示意图[3] 图3 双圆弧叶片示意图[3] 决定单圆弧叶片叶型的有 6 个参数:叶轮内径 R 1 、外径 R 2 、圆弧半径 R K 、圆心角 α 、进 口安装角 β 1A 和出口安装角 β 2A ,见图 2 所示。其中 R K 可由(8)式计算得到,再由(9)式计算 出 R op ,相应的圆弧曲线A - R 1cosβ1A ) 2 (3) R OP = R 2 + R 2 - 2R K R 2 cosβ 2A ) K 2 = R + R - 2R K R 1cosβ1A ) 2 K 2 1 (4) α = arccos 2 2 2 R 2 + R OP - R 2 R 2 + R OP - R 1 K 2 - arccos K 2R K R OP 2R K R OP (5) 双圆弧叶片两段圆弧光滑连接组成,如图 3 所示的圆弧。决定双圆弧叶片叶型的参数有:叶轮 内径 R 1 、外径 R 2 、第一段圆弧半径 R K1 、第二段圆弧半径 R K2 、第一段圆弧圆心角 α 1 、第二段 圆弧圆心角 α 2 、进口安装角 β 1A 和出口安装角 β 2A 。 为达到来流条件和进口条件不变,单纯考察叶片出口安装角带来的影响的目的,本文采用的对 出口角的调整方法是保持第一段圆弧不变,改变第二段圆弧的半径来调整达到。故叶轮内径 R 1 、 外径 R 2 给定,参数 R K1 、 α 1 、 β 1A 保持不变。由文献[2]:对于一般固定式离心压缩机而言,叶 片出口角在 20°~ 50°之间应用得最为广泛,该叶轮的原有叶片的出口角为 27°,在保证光滑过 度的情况下,改变第二段圆弧的半径,又得到出口安装角为 31°、41°、48°三种情况,各具体 参数见表 1。 表 1:叶轮叶片的几何参数 R K1 27° 31° 41° 48° 34.7 34.7 34.7 34.7 R K2 39.8 42.9 56.7 77.3 α1 26.5° 26.5° 26.5° 26.5° α2 61.5° 54.2° 35.6° 25.1° β1A 27° 27° 27° 27° β 2A 27° 31° 41° 48° 为分析叶轮出口角对叶轮和无叶扩压器内分别产生的影响,分析叶轮时,只在叶轮出口延长 4mm,即直径为 110mm 处,而在分析带无叶扩压器时则延长到表 2 中的 D4 处,即直径为 130mm。 §3 收敛判断 计算中整体残差下降 5 个量级,进出口流量误差 0.1%以下,判定计算达到收敛。实际计算的 迭代步数为 900 步左右,具体收敛曲线,横坐标为迭代步数,纵坐标为总体残差。 图 4 收敛曲线 不同出口角下叶轮的性能 图 5 和图 6 分别给出了 27°、31°、41°、48°出口角叶轮的等熵效率和静压比随流量的变化 曲线,其中等熵效率和静压比的定义如下: η = T0* [( * p4 ) * p0 k ?1 k ? 1] /(T4* ? T0* ) * * (6) * 其中, p 0 为叶轮入口总压, p4 为出口总压, T0 ,为叶轮入口总温, T4 为出口总温, k 为 多变指数。静压系数采用 * p 2 / p1 来表示。其中, p 2 为叶轮出口静压, p1 为叶轮入口静压。 在出口角从 27°増大到 41°的过程中,随着出口角度的逐步增大,叶轮的静压比和等熵效率 也都逐步增大了,但当出口角增大到 48°时,但等熵效率不再上升,在设计流量下还略有下降低 于 41°时的等熵效率,且其静压升的提高量也很小。故认为在目前的比转速下,在本章计算选定 的几个出口角中,41°出口角叶轮的性能曲线较其他出口角的叶轮略为优越。 从静压比图 6 中可以看到,将叶片的出口角从 27°增加到 41°后离心叶轮的静压比在设计工 况下高出了 0.77%。从等熵效率图 7 中可以看到,41°出口角的等熵效率也比 27°出口角时提高了 0.63%。 0.94 0.93 η 0.92 27 31 41 48 1.0 1.2 G/G 0 1.4 1.6 0.91 0.9 0.8 图 5 不同出口角下叶轮的等熵效率 1.26 1.24 P 2 /P 1 1.22 1.2 27 31 41 48 1.0 1.2 G/G 0 1.4 1.6 1.18 0.8 图 6 不同出口角下叶轮的静压比 因此认为,叶片出口角与压比直接相关,叶轮出口角的越大,叶轮做功能力越强,压比越高。 但就等熵效率而言,对同一叶轮叶片的出口角存在最佳值,就本叶轮叶片上采用的几个出口角而 言,最佳出口角可认为是 41°。 §5 小结 本章用 CFD 计算软件对一来流和进口条件不变,仅变动出口安装角的离心风机进行模拟。对 比各不同出口安装角情况下离心风机的性能特征和内部流动情况,得到的主要结论如下: 叶轮存在最佳出口安装角,在此出口安装角下来流和进口条件不变的离心叶轮可以得到最高 的等熵效率和较高的静压比。本文采用的几个叶轮出口角中,性能最佳的为 41°。 参考文献 [1] [2] 魏文平.空调用多翼离心风机的试验研究.流体机械,2003,31(6):4-6 西安交通大学透平压缩机教研室.离心压缩机原理.北京:机械工业出版社

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