一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统，设定鼓风机的目标参数；初始化叶轮参数；通过一维设计和经验公式，计算风机设计工况及非设计工况的气动性能参数、初步的失速喘振余量；进行通流计算及跨叶片计算分析；判断是否满足要求，若是，进行三维CFD仿真，若否，优化叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布等；对三维模型进行模型预处理、网格划分、全域流场计算及优化分析，得到流场特征图、压力分布图；进行有限元分析，分析风机的可靠性与稳定性；当风机的可靠性与稳定性等满足要求时，输出叶轮参数。本发明专利技术的低比转速三元流半开式叶轮，叶轮效率高，高效区宽，控制叶轮的失速喘振，具备较大的喘振余量，强度性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统
本专利技术涉及鼓风机
，具体涉及一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统。
技术介绍
鼓风机作为通用机械广泛应用于化工、钢铁、建材、污水处理、医药、食品生产等各个领域。叶轮是鼓风机的心脏，是把其它能量转化成动能及压能的驱动部件。叶轮根据结构有闭式叶轮、半开式叶轮机开式叶轮，叶轮内的叶片形式有二元流等厚板型叶片、二元流机翼型叶片、三元流叶片，三元流叶轮相对于二元流叶轮具有加好空间拓展性。半开式三元流叶轮具有强度性能好、极限圆周速度大、加工方便、效率高等特点，在鼓风机领域应用较为广泛。公开号为CN108334709A的专利技术专利申请公开了一种基于知识库数据统一管理的透平机械CEA集成平台，系统分析模块、一维中线模块、几何模块、二维通流模块、三维CFD分析模块、FEA有限元分析模块、知识库模块，一维中线模块与系统分析模块相连，几何模块与一维中线模块相连；二维通流模块与几何模块相连，三维CFD分析模块与几何模块相连；FEA有限元分析模块与三维CFD分析模块相连，知识库模块用于对系统分析模块、一维中线模块、几何模块、二维通流模块、三维CFD分析模块、FEA有限元分析模块实现设计数据的积累、存储、分析、显示、管理和再使用。目前，有一大部分鼓风机的风量小、压力高，通常采用罗茨鼓风机，但是罗茨鼓风机效率低，噪声大等缺点，已不能满足国家节能减排及用户的使用需求。因此，需要开发出离心式的效率高、噪声低的直驱式鼓风机，中间没有齿轮加速箱，叶轮直接挂在电机轴头上。为了达到设计的风量风压，叶轮在合适的比转速区间，需求非常高的转速。比如风量30m3/h，风压65kPa，电机功率37kW，常规设计转速需要设计到30000rpm左右，这对轴承技术、稳定性、可靠性提出了挑战，并且由于转速过高，气体介质中的杂质(比如尘、纤维等)会对叶片磨损严重，破坏动平衡及装配进度，高速叶轮对这些较为敏感，轻微的对设备造成损害，严重的导致人员伤亡，对用户的生命财产安全造成严重损害。现有的设计方法都没有针对叶轮低比转速设计，因此，针对现有叶轮的缺陷，如何实现一种转速相对较低、且满足小风量高压力(即低比转速)要求的叶轮是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统，所述的低比转速三元流半开式叶轮，叶轮效率高，高效区宽，控制叶轮的失速喘振，具备较大的喘振余量，强度性能好。为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法，包括：S1、设定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数；S2、初始化所述叶轮的参数；S3、通过一维设计和经验公式，计算风机设计工况及非设计工况的气动性能参数、初步的失速喘振余量；S4、进行通流计算及跨叶片计算分析，得到跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布；S5、判断所述跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布是否满足要求，若是，执行步骤S6，若否，优化叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布，执行步骤S4；S6、进行三维CFD仿真，对输出的三维模型进行模型预处理、网格划分、全域流场计算及优化分析，得到流场特征图、压力分布图；S7、对三维模型进行有限元分析，分析风机的可靠性与稳定性；S8、当所述流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，输出叶轮参数；所述叶轮的参数包括轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数，轮毂比设置为0.4-0.5,叶片入口倾斜角为75-120°，叶片入口翼顶冲角≤3°，叶片入口翼根冲角≤10°，叶片数为14-18个。进一步地，所述经验公式包括间隙对鼓风机的压力、效率影响的经验公式，具体为：令叶轮入口宽度为b1,出口宽度b2，相对于理想无间隙叶轮，效率降百分比和压力降百分比为：其中，δ为间隙宽度。进一步地，所述跨叶片载荷最大值小于0.7，50-80位置B2B载荷较大，其中，0位置为叶片前缘，100位置为叶片尾缘，所述50-80位置为从叶片前缘到叶片尾缘的相对位置为50-80；所述叶片厚度分布具体为：对于翼尖，如果入口翼尖0位置为1，出口翼尖100位置为0.8，30-70位置为1.5，其他位置差值或函数过渡分布，对于翼根，入口翼根0位置为2，出口翼根100位置为1.2，30-70位置为3，其他位置差值或函数过渡分布，所述30-70位置为从入口到出口的相对位置为30-70；所述子午面轮廓曲率中进出口曲率小，中间提升曲率。进一步地，所述步骤S6包括：把输出的三维模型导入三维造型软件，进行模型预处理，使物理模型和计算模型匹配；对性能产生重大影响的部件进行特殊加密，在满足计算精度要求的条件下，采用非结构网格合理布置网格；采用的湍流模型为SST模型，计算全性能曲线；当残差、进出口质量差曲线、效率曲线及核心物理参数趋于稳定，计算收敛，提取计算结果。进一步地，所述步骤S7包括：利用有限元数值方法进行应力、应变、热应力和振动模态分析，把三维模型导入网格划分软件进行网格划分，设置材料属性，叶轮材料为高强度锻铝，划分网格后，设置束缚位置及转速，计算叶轮应变及叶轮应力参数，分析风机的可靠性与稳定性。本专利技术还提出一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计系统，包括：目标设定模块，用于设定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数；初始化模块，用于初始化所述叶轮的参数；一维计算模块，用于通过一维设计和经验公式，计算风机设计工况及非设计工况的气动性能参数、初步的失速喘振余量；通流计算模块，用于进行通流计算及跨叶片计算分析，得到跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布；第一判断模块，用于判断所述跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布是否满足要求，若是，调用三维分析模块，若否，优化叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布，调用通流模块；三维分析模块，用于进行三维CFD仿真，对输出的三维模型进行模型预处理、网格划分、全域流场计算及优化分析，得到流场特征图、压力分布图；有限元分析模块，用于对三维模型进行有限元分析，分析风机的可靠性与稳定性；第二判断模块，用于当所述流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，输出叶轮参数。所述叶轮的参数包括轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数，轮毂比设置为0.4-0.5,叶片入口倾斜角为75-120°，叶片入口翼顶冲角≤3°，叶片入口翼根冲角≤10°，叶片数为14-18个。进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法，其特征在于，包括：/nS1、设定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数；/nS2、初始化所述叶轮的参数；/nS3、通过一维设计和经验公式，计算风机设计工况及非设计工况的气动性能参数、初步的失速喘振余量；/nS4、进行通流计算及跨叶片计算分析，得到跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布；/nS5、判断所述跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布是否满足要求，若是，执行步骤S6，若否，优化叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布，执行步骤S4；/nS6、进行三维CFD仿真，对输出的三维模型进行模型预处理、网格划分、全域流场计算及优化分析，得到流场特征图、压力分布图；/nS7、对三维模型进行有限元分析，分析风机的可靠性与稳定性；/nS8、当所述流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，输出叶轮参数；/n所述叶轮的参数包括轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数，轮毂比设置为0.4-0.5,叶片入口倾斜角为75-120°，叶片入口翼顶冲角≤3°，叶片入口翼根冲角≤10°，叶片数为14-18个。/n...

【技术特征摘要】
1.一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法，其特征在于，包括：
S1、设定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数；
S2、初始化所述叶轮的参数；
S3、通过一维设计和经验公式，计算风机设计工况及非设计工况的气动性能参数、初步的失速喘振余量；
S4、进行通流计算及跨叶片计算分析，得到跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布；
S5、判断所述跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布、叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布是否满足要求，若是，执行步骤S6，若否，优化叶片曲率及倾斜角分布、安装角分布、子午面轮廓曲率、叶片厚度分布，执行步骤S4；
S6、进行三维CFD仿真，对输出的三维模型进行模型预处理、网格划分、全域流场计算及优化分析，得到流场特征图、压力分布图；
S7、对三维模型进行有限元分析，分析风机的可靠性与稳定性；
S8、当所述流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，输出叶轮参数；
所述叶轮的参数包括轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数，轮毂比设置为0.4-0.5,叶片入口倾斜角为75-120°，叶片入口翼顶冲角≤3°，叶片入口翼根冲角≤10°，叶片数为14-18个。


2.根据权利要求1所述的三元流叶轮设计方法，其特征在于，所述经验公式包括间隙对鼓风机的压力、效率影响的经验公式，具体为：
令叶轮入口宽度为b1,出口宽度b2，相对于理想无间隙叶轮，效率降百分比和压力降百分比为：






其中，δ为间隙宽度。


3.根据权利要求1所述的三元流叶轮设计方法，其特征在于，所述跨叶片载荷最大值小于0.7，50-80位置B2B载荷较大，其中，0位置为叶片前缘，100位置为叶片尾缘，所述50-80位置为从叶片前缘到叶片尾缘的相对位置为50-80；
所述叶片厚度分布具体为：对于翼尖，如果入口翼尖0位置为1，出口翼尖100位置为0.8，30-70位置为1.5，其他位置差值或函数过渡分布，对于翼根，入口翼根0位置为2，出口翼根100位置为1.2，30-70位置为3，其他位置差值或函数过渡分布，所述30-70位置为从入口到出口的相对位置为30-70；
所述子午面轮廓曲率中进出口曲率小，中间提升曲率。


4.根据权利要求1所述的三元流叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S6包括：把输出的三维模型导入三维造型软件，进行模型预处理，使物理模型和计算模型匹配；对性能产生重大影响的部件进行特殊加密，在满足计算精度要求的条件下，采用非结构网格合理布置网格；采用的湍流模型为SST模型，计算全性能曲线；当残差、进出口质量差曲线、效率曲线及核心物理参数趋于稳定，计算收敛，提取计算结果。


5.根据权利要求1所述的三元流叶轮设计方法，其特征在于，所述步骤S7包括：利用有限元数值方法进行应力、应变、热应力和振动模态分析，把三维模型导入网格划分软件进行网格划分，设置材料属性，叶轮材料为高强度锻铝，划分网格后，设置束缚位置及转速，计算叶轮应变及叶轮应力参数，分析风机的可靠性与稳定性。


6.一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵准远，刘燕潇，顾寒珂，徐朋帅，
申请(专利权)人：浙江上风高科专风实业有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33