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一、通風機的選用原則 1)在選擇通風機前,應了解國內(nèi)通風機的生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量情況,如生產(chǎn)的通風機品種、規(guī)格和各種產(chǎn)品的特殊用途,以及部優(yōu)、國優(yōu)產(chǎn)品、淘汰或?qū)⒁蕴a(chǎn)品、新產(chǎn)品的發(fā)展和推情況等,還應充分考慮環(huán)保的要求,以便擇優(yōu)選用風機。 2)根據(jù)通風機輸送氣體的物理、化學性質(zhì)的不同,選擇不問用途的通風機。如輸送有爆炸和易燃氣體的應選防爆通風機;排塵或輸送煤粉的應選擇排塵或煤粉通風機;輸送有腐蝕性氣體的應選擇防腐通風機;在高溫場合下作或輸送高溫氣體的應選擇高溫通風機等。 3)在通風機選擇性能圖表上査得有種以上的通風機可供選擇時,應優(yōu)先選擇效率較高機導較小:調(diào)節(jié)范固較大的一種,當然還應加以比較,權衡利弊而決定。 4)如果選定的風機葉輪直徑較原有風機的葉輪直徑偏大很多時,為了利用原有電動機軸、軸承及支座等,必須對電動機啟動時間、風機原有部件的強度及軸的臨界轉(zhuǎn)速等進行核算。 5)選擇離心式通風機時,當其配用的電機功率小于或等于75kW時,可不裝設僅為席動用的閥門。當排送高溫煙氣或空氣而選擇離心鍋爐引風機時,應設啟動用的門,以防冷態(tài)運轉(zhuǎn)時造成過載。 6)對有消聲要求的通風系統(tǒng),應首先選擇效率高、葉輪圓周速度低的通風機,且使其在最高效率點工作;還應根據(jù)通風系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲和振動的傳播方式,采取相應的消聲和減振措施。通風機和電動機的減振措艙,一般可采用減振基礎,如彈簧減振器或橡膠減振器等 7)在選擇通風機時,應盡量避免采用通風機并聯(lián)或串聯(lián)「作。當不可避免時,應選擇同型號、同性能的通風機聯(lián)合[作。當采用串聯(lián)時,第一級通風機到第二級通風機之間應有一定的管路聯(lián)結(jié)。 8)所選用的新風機應考慮充分利用原有設備、適合現(xiàn)場制作交裝及安余運行等冋題。 二、通風機的選型方法 3.2.1選型前的準備 1)確定流所需要的流量和壓力。最好在系統(tǒng)額定負荷時進行實際測定,如屬新建,可用理論計算的方法求得,或借鑒同類或相近系統(tǒng)的實際運行數(shù)值為依埽,計算數(shù)據(jù)與實際運行值相差不應超過10%,在這樣范內(nèi),風機可以獲得在高效區(qū)運作,另外還需掌握系統(tǒng)可能使用的最大值和最小值,以便調(diào)節(jié)。 2)介質(zhì)溫度應選用平時運行中的最高溫度、在選用前必須經(jīng)過實際測量或査以往運行記錄； 3)對原有送、引風機葉輪外徑進行實測,(可潤備品)或進一步核對圖紙。 4)如果仍利用原有電動機時,應查對原有電動機的轉(zhuǎn)速和容量。 5)在實測原有風機的流量、壓力時,應測定原有風機的運行效率,以便作經(jīng)濟比較。 6)根據(jù)原有風機歷年來的運行情況和存在問題,對以上.原始數(shù)值進行分析和多方面分析考核,最后確定風機的設計參數(shù),以避免采用新型風機時所選用的流量、壓力不能滿足實際運行的需要。但也要防止過大的富裕量,以致使風機長期處在不經(jīng)濟的低效率區(qū)運行,下表給出風量風壓富裕量的選取范圍.

0 引言 離心式通風機作為流體機械的一種重要類型，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個部門,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：提高離心通風機葉輪設計水平,是提高離心通風機效率、擴大其工況范圍的關鍵。本文將從離心通風機葉輪的設計和利用邊界層控制技術提高離心通風機葉輪性能這兩個方面，對近年來提出的提高離心通風機性能的方法和途徑的研究進行歸納分析。 1 離心通風機葉輪的設計方法簡述 如何設計高效、工藝簡單的離心通風機一直是科研人員研究的主要問題，設計高效葉輪葉片是解決這一問題的主要途徑。 葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內(nèi)部流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)部的真實流動狀況，改進葉輪設計以提高葉輪的性能和效率，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)的流動規(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，獲得離心通風機各個關鍵截面氣動和結(jié)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平均速度計算，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人員有非常豐富的經(jīng)驗，有時可以獲得性能不錯的風機，但是，大部分情況下，設計的通風機效率低下。為了改進，研究人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雖然比前一種一元設計方法效率略有提高，但是該方法設計的風機輪蓋加工難度大，成本高，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沿平均流線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)的流動過程中以同一速率均勻變化，能減少流動損失，進而提高葉輪效率；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沿平均流線m的分布是通過控制相對平均流速沿流線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。以上方法雖然簡單，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通風機葉片。苗水淼等運用“全可控渦&dquo;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)取得了顯著效果[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合理分布。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(jié)果不斷改進以符合葉片渦的分布規(guī)律,以期最終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Cu沿輪盤、輪蓋的給定，可以通過線性插值的方法確定Cu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]設計離心通風機的葉片。以上方法都是采用流線曲率法，設計出的是三元離心葉片，對于二元離心通風機葉片還不能直接應用。但數(shù)值計算顯示，離心通風機的二元葉片內(nèi)部流動的結(jié)構是更復雜的三維流動。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提高離心通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)時計算量過大的問題，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準確性的方法。在近似模型方法應用于葉輪機械氣動優(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)化問題,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準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，降低了計算成本。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,降低設計成本?；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)化設計中計算成本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、Kiging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問題中得到了成功應用,展示了廣闊的工程應用前景。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平均速度優(yōu)化設計方法[16]，將近似模型方法較早的應用于離心通風機葉輪設計。該方法通過給出流道內(nèi)氣流平均速度沿平均流線的設計分布，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(jié)合基于流體動力學分析軟件的數(shù)值模擬，最終成功開發(fā)了與全國推廣產(chǎn)品9-19同樣設計參數(shù)和葉輪大小的離心通風機模型，計算全壓效率提高了4%以上。該方法簡單易行、合理可靠，得到了很高的設計開發(fā)效率。 隨著理論研究的不斷深入和設計方法的不斷提高，對于降低葉輪氣動損失、改善葉輪氣動性能的措施，提高離心風機效率的研究，將會更好的應用于工程實際中。 2 改善離心通風機內(nèi)葉輪流動的方法 葉輪是離心風機的心臟，離心風機葉輪的內(nèi)部流動是一個非常復雜的逆壓過程，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)和葉道復雜幾何形狀都使其內(nèi)部流動變成了非常復雜的三維湍流流動。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流動，同時由于氣流90°轉(zhuǎn)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(jié)構[17]。由于射流—尾跡結(jié)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)部的流動狀況，提高葉輪效率，一個重要的研究方向就是采用邊界層控制方式提高離心葉輪性能，這也是近年的熱點研究方向。 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)流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)部流動,達到提高葉輪性能的效果。但是該主動控制技術結(jié)構復雜，而且需要外加控制設備和能量，對要求經(jīng)濟耐用的離心通風機產(chǎn)品不具有競爭力。 采用邊界層控制方式提高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通風機葉輪設計中采用長短葉片開縫方法[19-20]，該方法采用的串列葉柵技術，綜合了長短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，提高效率，而且試驗結(jié)果表明[20]，該方法可以有效的提高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)部積灰的問題。雖然串列葉柵技術在離心壓縮機葉輪[20]內(nèi)沒有獲得效率提高的效果，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(jié)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。為了提高設計和小流量離心通風機效率，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。最終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，且最大絕對速度明顯減小的結(jié)果。這種方法改善了葉輪內(nèi)部流場的流動狀況，達到了提高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(jié)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問題。通過對離心風機整機的數(shù)值試驗，發(fā)現(xiàn)輪蓋開孔后，在設計點附近的風機壓力提高了約2％，效率提高了1％以上，小流量時壓力提高了1.5％，效率提高了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流動，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(jié)構。此外，沿葉片表面流動分離區(qū)域減小，壓力增加更有規(guī)律。輪蓋開孔方法可以提高設計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能，如果結(jié)合離心葉輪串列葉柵自適應邊界層控制技術，有可能全面提高離心葉輪性能。 3 結(jié)論 綜上所述,近年來對離心通風機葉輪內(nèi)部流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，并獲得令人滿意的結(jié)果。目前,對離心通風機葉輪內(nèi)部流動的研究仍是比較活躍的研究領域之一，筆者認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通風機方面的應用進行更深入的研究，結(jié)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(jié)合起來，在全工況范圍內(nèi)改善離心通風機葉輪的性能，提高離心風機的效率； （3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心通風機葉輪內(nèi)部的流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)部流動的非定常現(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。