水力排煙風機葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計

潘洋洋，莊進標，林瑞霖

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢430033）

0 引言

水力排煙風機因其具有性能穩(wěn)定、風量大、防爆性能好、動力源充足（可利用消防水驅(qū)動）等特點，可被應用于艦船消防排煙等領域。然而當前水力排煙風機普遍存在壓力低、運行效率差等缺點。因此，有必要對其進行優(yōu)化改進，以增大壓力、提高效率、減少資源浪費[1-2]。

風機葉片是整個排煙風機的重要組成部分，其設計良好與否直接決定了風機運行效能，因此對風機葉片部分進行優(yōu)化研究有重要意義[3-4]。本文主要以某型水力排煙風機為研究對象，利用CFD軟件對該型水力風機進行數(shù)值模擬驗證分析，在此基礎上對風機葉片開展優(yōu)化設計，采用數(shù)值模擬計算對優(yōu)化前、后水力風機的性能參數(shù)進行對比分析，從而獲取優(yōu)化方案。

1 建模及影響因素分析

1.1 水力風機建模

該水力風機為軸流風機，主要由水輪機和風機兩部分組成，水輪機作為動力模塊，將壓力水的壓力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動風機葉輪旋轉(zhuǎn)的動能。因本文主要研究水力風機部分，考慮到水輪機位于風機輪轂之內(nèi)，其內(nèi)部的水流場和風機內(nèi)部的空氣流場處于完全分隔狀態(tài)，并且水輪機結(jié)構(gòu)較為復雜，在建模仿真中只對風機部分進行建模，水輪機在初始條件設置時通過給葉輪一個初始速度以代替。

對水力風機進行數(shù)值模擬前，根據(jù)測繪的參數(shù)在三維軟件UG 上對進行建模。

水力風機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。風機葉片葉型為機翼型。

表1 水力風機結(jié)構(gòu)參數(shù)表

根據(jù)表1中水力風機葉輪部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合前期測繪數(shù)據(jù)，得到水力風機葉輪簡化幾何模型見圖1。

完成葉輪幾何模型建立后，需建立風機外殼實體模型，本文主要研究的是水力風機內(nèi)部的氣流通道，因此在建模過程中將風機外殼簡化為圓柱體，而不考慮外殼上的附件及殼體厚度。圓柱體內(nèi)減去風機葉輪結(jié)構(gòu)剩下的空間便是研究所需的完整流域，圖2是在前處理器ICEM 顯示的水力風機內(nèi)部計算流域模型圖。

圖1 風機葉輪幾何模型

圖2 水力風機內(nèi)部計算流域圖

1.2 葉片結(jié)構(gòu)影響因素分析

國內(nèi)外學者關(guān)于葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化作了大量研究，常見的研究對象包括葉片形狀、輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角。由于該風機葉片形狀不規(guī)則，研究難度較大，而輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角則較為容易控制，故本文主要基于原葉片，對輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角進行優(yōu)化研究，以尋找最佳的參數(shù)組合。

輪轂比是風機輪轂直徑Dn與葉輪外徑Dt的比值，用υ表示。輪轂比對風機的性能參數(shù)有重要的影響，風機的全壓與輪轂比成正比，風機效率與輪轂比成反比[5]。輪轂比過大時，葉片會過短，氣體在葉片流道中流動損失增加，風機性能惡化，影響風機出口軸向尺寸；當輪轂比過小時，氣流容易在葉根部分發(fā)生分離現(xiàn)象。在實際設計中根據(jù)風機的需求不同如，輪轂比的選擇也不相同，通常對于風壓高、流量小的風機，選擇較大輪轂比；對于風壓低、流量大的風機，選擇較小輪轂比。

本風機的輪轂比為0.593，風機輪轂比的優(yōu)化研究圍繞原有輪轂比進行，參照前期單因素仿真結(jié)果，選取0.55、0.593和0.65三種輪轂比進行設計研究，輪轂比設計保證風機外殼內(nèi)徑大小不變即220 mm，葉頂間隙設為葉高的1%，3種輪轂比下的風機葉輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2。

表2 不同輪轂比下風機相應結(jié)構(gòu)參數(shù)

葉片數(shù)目是影響風機工作性能的重要參數(shù)之一，在一定范圍內(nèi)風機的風壓和效率隨著葉片數(shù)目的增多而變大，主要是因為對空氣作功的的葉片個數(shù)增加，但如果葉片數(shù)過多，則會導致葉片稠密度增加，葉片間的空氣流道變窄，阻礙了空氣的流動，造成空氣流量變少[6]。

在軸流風機葉片的數(shù)目的選擇中可以參照相關(guān)經(jīng)驗進行選擇，經(jīng)驗表明在輪轂比處于0.5～0.7之間時，葉片數(shù)目N選擇范圍為6～10。

葉片安裝角反應了葉片相對葉輪的軸向安裝位置，是影響風機運行性能的重要結(jié)構(gòu)因素[7]。隨著葉片安裝角的變大，風機葉片的迎風面變大，葉片負荷也隨之增大，風機運行噪聲變大，過大的葉片安裝角也會導致風機葉頂間隙變大，從而導致風機運行性能下降。當葉片安裝角過小時，雖然葉片所受的負荷變小，但是風機的壓力、流量和效率等性能卻也會隨之變小。

2 正交試驗設計

如前文介紹，風機葉片的優(yōu)化設計受多個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。為確定風機葉片各參數(shù)對風機性能影響的主次順序，得到最佳組合方式，需要對不同參數(shù)組合的方案進行仿真試驗分析。若對輪轂比、葉片數(shù)目和葉片安裝角進行3因素3水平的優(yōu)化篩選，則需要進行33=27次仿真試驗。這樣不僅耗時費力，而且嚴重影響研究進度。運用正交設計[8]的方法可以較好地解決這一問題，在提高效率的同時得到優(yōu)化方案。

2.1 正交試驗方案設計

正交設計的基本方法是選用對試驗結(jié)果具有重要意義的典型因素來獲得對整體可靠的結(jié)論。而正交表的設計是獲得可靠合理、具有代表性因素的關(guān)鍵。正交表應具有以下兩個特點：一是同一列中不同水平數(shù)出現(xiàn)次數(shù)相等，二是任意2個不同水平的匹配數(shù)目要相同。正交表型號一般用Ln(qm)來表示，其中L表示正交表，n為試驗次數(shù)，q為水平數(shù)目，m為因素數(shù)目。

在本次正交設計中，參照前期單因素仿真結(jié)果，每個因素下選取3個具有代表性的水平，從而形成表3所示因素水平表。

表3 因素水平表

由因素水平個數(shù)可知本次正交試驗應選用L9(34)正交表。在正交設計中，常在表中留出空白列已避免夸大效應，減少誤差。但由于仿真試驗能避免儀器自身及操作不當產(chǎn)生的誤差，且從提高效率的角度出發(fā)，本正交試驗表沒有進行空白列設計。詳細試驗方案如表4 所示。

表4 正交試驗表

2.2 仿真設置

流域模型主要包含2 部分，一部分是有葉片的轉(zhuǎn)動區(qū)域，另一部分是則為葉片到出口面的出口區(qū)域，網(wǎng)格劃分時分別針對每個部分進行單獨劃分，對轉(zhuǎn)動區(qū)域和出口區(qū)域的關(guān)鍵部位進行網(wǎng)格加密處理。轉(zhuǎn)動區(qū)域和出口區(qū)域由交界面連接，便于在CFD后處理軟件CFX 中對兩個流域進行組合。利用ICEM軟件對轉(zhuǎn)動區(qū)域進行網(wǎng)格劃分見圖3，出口區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖4。

圖3 葉輪網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

圖4 出口區(qū)域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

將網(wǎng)格文件導入到CFX中，在DOMAIN 中分別定義出口、進口、壁面等參數(shù)，其中轉(zhuǎn)動區(qū)域選擇轉(zhuǎn)動類型，轉(zhuǎn)動速度參考試驗中的實際轉(zhuǎn)速；出口區(qū)域則為靜止區(qū)域。轉(zhuǎn)動區(qū)域的末端面和出口區(qū)域的進端面通過交界面處理，使水力風機形成一個完整流域，保證數(shù)據(jù)傳遞。

3 仿真結(jié)果分析

因為本文研究的是在給定進水壓力下水力風機性能，可認為水輪機提供給風機一個固定功率，該功率可用水力風機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行表示，因此水力風機性能研究可表現(xiàn)為風機在一定初始轉(zhuǎn)速下其壓力與流量的變化。工作介質(zhì)選用標況下空氣，操作壓力為大氣壓，采用標準 模型對控制方程進行封閉。

進口設置質(zhì)量進口，進口質(zhì)量根據(jù)試驗風量進行換算。

出口類型為Opening，選用壓力出口，壓力設為0。

壁面采用無滑移邊界，釆用標準壁面函數(shù)法處理近壁區(qū)。

完成邊界條件的設置后，進行求解器設定，采用基于壓力基求解器，完成分離求解和耦合求解之間的轉(zhuǎn)換；采用二階隱式格式進行時間離散；采用SIMPLE 算法，完成壓力變量和速度變量的分離求解。

3.1 試驗結(jié)果

仿真試驗結(jié)果中，9組數(shù)據(jù)中，風機的全壓效率隨著葉片數(shù)目和輪轂比的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于初始葉片數(shù)目少、輪轂比小，導致葉片對氣流作功少，葉片根部氣流分離，隨著葉片數(shù)目和輪轂比增加較大時，葉片數(shù)目又因為較為稠密，葉片過短氣流在流道中能耗損失增加。此外根據(jù)計算得到的軸功率發(fā)現(xiàn)，在設定的初始轉(zhuǎn)速情況下，風機軸功率雖然有較小的波動，但基本保持不變，從而也驗證了以風機初始轉(zhuǎn)速替代風機初始驅(qū)動功率的可行性。水力風機在第5組葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化組合中全壓有效功率最大，但是不能由此確定A2B2C3為最優(yōu)組合，為了進一步得到最優(yōu)的組合方案，還需要進行極差分析。

表5 仿真試驗結(jié)果

3.2 試驗結(jié)果極差分析

對表5全壓有效功率進行極差分析，可得表6。

表6中，Ki（i＝1～3）分別表示各因素在不同水平下的試驗平均值，R 表示相應的極差，即因素各水平最大均值與最小均值之差，見式（1）

極差越大，則該因素對風機性能的影響就越大。由此可以得出各因素對風機性能影響程度排序為A＞B＞C，從而可以得到最終優(yōu)化方案為A2B2C3。

表6 極差分析表

由此，最佳組合為葉片數(shù)7、輪轂比0.593、葉片安裝角40°，與前文確定的最佳組合一致。參考正交試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)原有水力風機的葉片數(shù)目和輪轂比選擇相較而言已經(jīng)處于相對最佳的設計狀態(tài)，而風機葉片的安裝角度可以進一步優(yōu)化為40°。優(yōu)化前后風機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能對比見表7。

據(jù)表7可知，優(yōu)化改進后風機全壓提高了7.9%，風機流量提高了7.3%，全壓有效功率提高了15.9%，風機全壓效率提高12%左右，由此說明對葉片進行結(jié)構(gòu)改進取得了較好的效果。

表7 優(yōu)化前后風機性能對比表

4 結(jié)論

本文以某型水力排煙風機為研究對象，對風機葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析，選取了葉片數(shù)、輪轂比和葉片安裝角3個重要因素，通過正交試驗確定了葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對風機性能影響的主次順序為葉片數(shù)目、輪轂比和安裝角。最終獲取了葉片數(shù)目為7、輪轂比為0.593、葉片安裝角為40°的優(yōu)化設計方案，優(yōu)化后的風機性能得到了較為明顯的提升。

本文的研究內(nèi)容可以在風機設計中作為參考，可以依據(jù)相似理論應用到其他軸流風機性能的優(yōu)化設計上。對于風機葉片的優(yōu)化研究，除本文進行選取的參數(shù)外，還可以通過對其他因素的研究以獲得更佳的設計方案。