离心风机叶片三维反问题优化设计

吕锋

摘要：本文在基于离心风机叶片的三维反问题设计方案的前提下，结合试验建议的把利益最大化的提升效益的设计方法，真正意义上相应各个方式，以至于做到最终优化方法，建立离心风机叶片三维形状的初步方案，进行更多层次的润色、优化。也分析了不同的环量以及一系列的指标参数间，交互过程中出现的对叶轮最终成效的影响，时轮的最终效率有较大影响，轮像地方的环量分布的形式对时轮效率影响则是非常重大的。

关键词：离心风机反问题CFD优化设计

1.前言：

把叶轮效率当做最后结果的最终优化目标，以环量分布的分析参数当做优化设计中的能动变量，控制相对参数，各种指标参数间交互过程中出现的对叶轮最终成效的影响，轮像地方的环量分布的形式对时轮效率影响则是非常重大的，时轮的最终效率有较大影响。本文以三维反问题设计方法与有关于CFD技术的算法为基础理论，结合其他种试验设计方法，响应正确方式方法优化算法，完善离心风机叶片三维优化的最终设计方法，并进行一些实例的分析，验证方法可操作的可靠性。

2.离心风机叶片的影响因素

离心风机械内部组织机构的复杂性还是非常有深远的影响。由此也时刻影响着叶轮的的最终效率，大量而且复杂的的CFD计算才可以得出最终优化，评估优化结果，但参数之间会产生相互影响的一系列变化，也当然会使得高性能的离心式在CFD的基础上，优化方法应用范围具有一定不可控制的局限性，这也造成叶轮的设计、与制作具有很大的挑战性。随着计算机硬件技术越来越发达多数应用范围也应该越来越广，在反问题设计方法的基础上，叶轮优化设计过程中科学理论来支撑CFD的相关技术应用范围越来越广泛，这个具有绝对的优势，优化设计方法最后变少，优化设计变离心式当然自然而然成为叶轮机械设计的有力技术支撑[1]。

最终的优化结果，通过CFD计算，其中的物理意义就相对更加的明确。反问题设计的方法，根据制定设计方案给定的模拟方式，能够评价各种机械发生变数对叶轮性能造成的影响，从其环量以及其他方面的分布或压力的是否平均分布，进行各类的设计计算过程，方式方法给定的环量的分布规则、压力的是否平均分布，这个问题对于叶轮的性能所造成的影响最终的参数更为明确真实，也是便于这种一系列的理论分析，通过方式方法给定的合理环量的分布，能够很高效的抑制空化以及二次流的现象发生。所以由此来看，在反问题设计方法的基础上，叶轮优化的设计反倒能够减少计算量，很大的提高效率，最终获得满意的优化结果[2]。

3.离心风机叶片三维反问题优化设计方法：

3.1使用叶片形状参数方法进行相对优化

选择叶片形状参数拿出来整理归纳作为优化设计设计其中变量。叶片形状参数方法是通过反问题设计方法，也是一定程度的上环量分布参数化的总和结果。我们可以采用三段线还有其他的一些方法来决定整个轴面流道环量的分布问题。比如：决定的参数，其环量梯度顺着轴面流道的轮毂、轮缘的按三段线的方式分布均匀：第一段我们称为进口段，采用多项式的分布方法；第二段我们称为中间段，采用直线的分布方法进行操作；第三段则称为出口段，同第一段一样，采用多项式的分布方法。由这类变数的研究可得，其环量由其梯度的综合得出结论，轮毂与轮缘之间的相对轴面流道中的环量分布问题，则是根据轮毂和轮缘的环量进行相对比较后儿得到的。

4.离心风机叶片三维反问题优化步骤

首先，需要采用正交试验设计的方法，建立离心风机的基本参数，以创造样本空间；然后，在采用三维反问题的设计方法对这个样本空间的相对比较出有价值的试验点进行各类评估以及计算，从而得到风机叶轮的最佳设计规划；其中采用CFD计算方法，对得到的离心风机的叶轮模型进行全方面的性能方面评价；根据CFD的最终计算结果，建立出离心风机性能的一系列的参数的響应面的具体而客观的函数关系式。当电机运转起来，带动风机叶轮的正常旋转时，叶轮中的叶片之间的气体也跟着流动，发生一定规律的旋转，并且在离心力的作用下，排出这些流动的气体，这样周边的气体流变大，这样会使气体在流动的过程中，把动能转换成静压能，随着流体的不断增压，又能使静压能转换为高效的速能，通再过排气口排出其参与运动的气体，此时叶轮中间会形成一定的负压力，但由于入口承受着负压的状态，会使外界气体在负大气压的作用下立即补入空气，从而在叶轮连续旋转的作用下，重复的不断排出、补入气体的运动，从而达到连续鼓风的一个最终目的[3]。当然在同等功率下，风压与风量的关系一般是成反比的。同等功率下，风压增高，风量就会相对降低；反之风量增大，风压就会大大降低，只有这样，才可以充分的发挥电机最大的作用。对两者的函数关系式，进行最优的搜索结果加以分析，得出最优的设计方案；最后得出的最好解决方案后，进行CFD计算核实，结果确实为最优，则输出最终结果；如果不是最优，则将结算结果加到实验研究的样本空间。这样，遵循动能转换为势能的变换原理，利用高速旋转的叶轮，把气体加速、减速以及改变风的流向，使动能再转换成势能。在离心风机中，气体从轴面进入叶轮，气体随之被叶轮转动时改变方向，进入到扩压器中，气体改变了流动的方向所以造成一定量的减速，这个减速的作用，将动能转换成势能。因为其压力的增高原因，主要取决与叶轮的成效，而后发生扩压等一系列过程。

5.离心风机叶片三维反问题优化设计实例

为了应证上述解释过的离心式风机叶片的优化设计方法，可以将这个方法应用到某一离心风机叶轮的更新设计中，其中主要性能的参数及要求如下：流92kg/s、转2500r/min叶轮进出口静压>220kPa、输人功率<3500kW。优化设计过程中的叶轮轴面流道的形状、大小、、体积、叶片厚度等一系列参考模型，过程中保持保持不变，叶片头部进行修圆处理方法，尾部进行截断处理方法。

从交互的一系列参考数的计算结果来看，轮毂以及轮缘处的环量梯度分布问题与各种参数之间的交互效应可以说是微乎其微，可以看作没有影响，这一切表明轮毅和与缘处的参数以主要的构成参数的影响为主，结合主效应结果的分析，可以知道轮毂进口处、轮缘处的环量梯度是否分布规律问题，对叶轮的最终产生着最显著的影响。这一切实验结果表明，参数环量梯度的分布规律中，直线部分的一系列的分布规律很明显，对与叶轮的效率影响最为显著。综上所述，三段部分的环量梯度分布决定方法，是一种以直线段部分给定规律为主的方法，加以润色，所以直线段的部分环量梯度分布问题会直接决定了离心风机叶片的质量问题。在三维反问题设计方法的基础上，叶片形状的设计方法有了更加好的优化方式，可以很高效的减少设计中存在的不确定变量[4]。于此同时，在设计优化中的变量对叶轮的性也能有非常直接的影响，可以针对在这种情况，建立优化变量以及确定叶轮性能参数的函数关系式，也便于计算与分析中的一系列优化设计中所有变量对离心风机的性能产生影响。

6.结束语：

综上所述，在三维反问题设计方法以及高准确度的CFD技术的合力基础之下，结合以上实验的设计方法，综合最终优化结果进行分析理解，运用这个技术建立离心风机叶片的气体流动原理的优化设计方案，进行了一系列的实例验证和合理性进行分析，最终的优化结果也充分的表明，这个方法是可以根据不同的性能要求，最快速高效地进行离心风机叶片的优化设计。

参考文献

[1]杨魏，王福军，王宏.离心风机叶片三维反问题优化设计[J].农业机械学报，2012，43（8）：105-109.

（作者单位：绍兴上虞通风机有限公司）