雙吸式離心通風(fēng)機(jī)非定常流動(dòng)特性及旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理研究.pdf

1、通風(fēng)機(jī)在低于設(shè)計(jì)流量的工況下運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，這些不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生不僅增加了通風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失，降低了通風(fēng)機(jī)的效率，而且嚴(yán)重影響了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。本文以雙吸式離心通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行定常和非定常計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用能量梯度理論對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋;討論了旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象產(chǎn)生和發(fā)展過程，揭示了旋轉(zhuǎn)失速和喘振的關(guān)系;詳細(xì)描述了內(nèi)、外特性隨流

2、量變化的統(tǒng)一性，建立了內(nèi)流場(chǎng)的非定常流動(dòng)特性與外特性曲線在時(shí)域和頻域上的關(guān)聯(lián);基于對(duì)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)非定常流動(dòng)特性的分析，提出了用于確定雙吸式葉輪最優(yōu)交錯(cuò)角度的壓力分布法，并進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下，
　　(1)為了與非定常流動(dòng)特性進(jìn)行更好的對(duì)比，首先對(duì)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了定常數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)外特性的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。通過對(duì)不同葉輪軸向位置和不同流量工

3、況下的氣流流動(dòng)特性和能量梯度函數(shù)K值的分析，表明隨離心通風(fēng)機(jī)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(huì)發(fā)生在葉片壓力面的前緣處。對(duì)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(diǎn)，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(diǎn)。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(chǎng)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(fēng)機(jī)內(nèi)部不穩(wěn)定流動(dòng)發(fā)生的位置和劇烈程度。
　　(2)對(duì)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)的非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，風(fēng)機(jī)外特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。重點(diǎn)分析了旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象發(fā)生后流場(chǎng)的發(fā)展與變化，揭示了旋轉(zhuǎn)失速和喘振的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生后，葉輪失穩(wěn)流道的出口處會(huì)形成低壓區(qū)。隨葉輪的旋轉(zhuǎn)，低壓區(qū)會(huì)聚集在一起，并周期性的經(jīng)過和遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)蝸殼出口。隨流量的減小

5、，周期性經(jīng)過蝸殼出口處的低壓區(qū)增大。在離心通風(fēng)機(jī)實(shí)際的運(yùn)行工況中，當(dāng)流量非常低時(shí)，該低壓區(qū)經(jīng)過蝸殼出口時(shí)，會(huì)占據(jù)蝸殼出口流通截面積的絕大部分區(qū)域。從而，風(fēng)機(jī)排氣管出口處的總壓遠(yuǎn)大于蝸殼出口處低壓區(qū)的總壓，在壓差和擾動(dòng)的作用下，風(fēng)機(jī)排氣管出口處的高壓區(qū)會(huì)驅(qū)動(dòng)蝸殼出口處的低壓區(qū)形成倒流，導(dǎo)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(huì)促進(jìn)擾動(dòng)的發(fā)展，在一定的條件下，會(huì)激勵(lì)喘振的發(fā)生。

6、即旋轉(zhuǎn)失速所產(chǎn)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(nèi)在原因。
　　(3)對(duì)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析。采用高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)離心通風(fēng)機(jī)蝸殼壁面的16個(gè)測(cè)壓點(diǎn)處的靜壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。16個(gè)測(cè)壓點(diǎn)分別沿離心通風(fēng)機(jī)的周向、徑向和軸向布置。在通風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算中增加了葉輪出口處的3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果均預(yù)測(cè)了旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，獲得旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)的頻率為19Hz，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的

7、準(zhǔn)確性。通過分析蝸殼壁面測(cè)壓點(diǎn)處壓力脈動(dòng)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)離心通風(fēng)機(jī)在所研究的流量范圍內(nèi)未發(fā)生喘振。對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行工況，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)特性主要受“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)的影響。
　　(4)在對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的非定常流動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了三種流動(dòng)狀態(tài)（靜態(tài)失速、弱旋轉(zhuǎn)失速和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)失速）下，離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)、外非定常流動(dòng)特性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，離心通風(fēng)機(jī)葉輪出口處測(cè)壓點(diǎn)上的壓力脈動(dòng)特性隨流量的變化，可分為三個(gè)階段:a.在接近

8、額定流量工況下，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)是由葉輪出口處的“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)引起的。b.隨離心通風(fēng)機(jī)流量的減小，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)源于“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)和葉輪出口處高速旋轉(zhuǎn)低壓?jiǎn)卧木C合影響。c.隨離心通風(fēng)機(jī)流量的進(jìn)一步減小，葉輪出口處的壓力脈動(dòng)受“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)和葉輪出口處的低速旋轉(zhuǎn)低壓?jiǎn)卧餐绊?。葉輪出口處的旋轉(zhuǎn)低壓?jiǎn)卧怯尚D(zhuǎn)失速引起的。與此相對(duì)應(yīng)，離心通風(fēng)機(jī)的總壓曲線隨流量的變化，也可分為三個(gè)階段:a.在接近額定流量工況下，離心

9、通風(fēng)機(jī)的總壓曲線隨時(shí)間基本為一固定值。b.隨離心通風(fēng)機(jī)流量的減小，離心通風(fēng)機(jī)的總壓曲線呈現(xiàn)高頻小幅波動(dòng)。c.隨離心通風(fēng)機(jī)流量的進(jìn)一步減小，葉輪出口處的低壓?jiǎn)卧S葉輪的旋轉(zhuǎn)周期性的經(jīng)過和遠(yuǎn)離蝸殼出口，導(dǎo)致離心通風(fēng)機(jī)總壓呈現(xiàn)低頻大幅的周期性波動(dòng)。
　　(5)雙吸式葉輪的交錯(cuò)角度影響著葉輪出口處的“射流—尾跡”結(jié)構(gòu)，從而對(duì)離心通風(fēng)機(jī)的性能有著一定的影響。在分析葉輪交錯(cuò)角度對(duì)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)性能影響的基礎(chǔ)上，探討了雙吸式離心通風(fēng)機(jī)最優(yōu)葉輪

10、交錯(cuò)角度的確定方法。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于性能最優(yōu)的交錯(cuò)葉輪，在其葉輪出口處，一側(cè)葉輪的壓力極小值與另一側(cè)葉輪的壓力極大值恰好處于同一周向位置時(shí)，葉輪兩側(cè)的壓力在葉輪出口處達(dá)到平衡。在此基礎(chǔ)上，提出了用于判斷雙吸式離心通風(fēng)機(jī)最優(yōu)葉輪交錯(cuò)角度的壓力分布法。根據(jù)壓力分布法，推測(cè)出另一臺(tái)雙吸式離心通風(fēng)機(jī)的最優(yōu)葉輪交錯(cuò)角度為α=10°。對(duì)不同葉輪交錯(cuò)角度下的該風(fēng)機(jī)進(jìn)行外特性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，交錯(cuò)角度為10°的離心通風(fēng)機(jī)性能最優(yōu)，這與數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果相一致，從而驗(yàn)證