CN102352865A - 基于正交试验的贯流风机优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正交试验的贯流风机优化设计方法，以其蜗壳间隙、蜗舌间隙、叶片内圆周角、叶片外圆周角、叶片数、叶轮内外径之比、叶片扭曲角等作为拟优化结构参数即试验因素，每个结构参数取n个不同数值即试验水平，采用正交表Lp(p≤30)，对每一次试验，运用计算流体力学(CFD)方法数值计算该组结构参数下的贯流风机性能指标(风量、效率、噪声等)，根据性能指标参数和对应权重，从中找到一组优化结构参数。如对性能指标要求很高，可再对所求出的优化结构参数，针对试验因素的每个试验水平，在该值附近取n’个不同的试验水平，再采用正交表Lq，重复计算性能指标，可得到一组更优结构参数。本方法简单易行，成本低，时间短，设计出的产品性能好。

Description

基于正交试验的贯流风机优化设计方法

技术领域

本发明属于一种贯流风机的设计方法，具体是一种基于正交试验的贯流风机优化设计方法。

背景技术

贯流风机又叫横流风机，是1892年法国工程师莫尔特(Mortier)首先提出的贯流风机的叶轮为多叶式、长圆筒形，具有前向多翼形叶片。贯流风机在家用电器(如电壁炉、暖风机、空调器、空气清新器、冷柜及冷风扇等家电产品)以及工业设备中具有广泛的应用，目前该产品国内外每年的需求量都很大。随着人们生活水平的提高和技术的发展，该产品朝着高效低耗、低噪声等方向发展。据中国风机协会统计表明，我国每年需要大量进口贯流风机系列产品，表明这类产品在国内还有很大的市场潜力。但是，由于现在国内该类产品基本是测绘仿制品，贯流风机技术水平落后，存在着效率低、噪声大、环境适应性差、风量达不到要求等问题，使得该类产品的质量和可靠性与国外同类产品相比还有一定差距。据权威机构预测，2011年国内空调市场需求在高位基数上保持继续增加，销售额将达到1060亿以上，作为理想的空调终端，贯流风机的市场需求旺盛。另外，作为风机行业的一个系列产品，它的发展对电机制造、机械加工业等有一定的促进作用，可以带动家电产品如空调、取暖设备及空气清新器等的发展，促使产品升级。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述缺陷，本发明在数值计算贯流风机三维内部流场的基础上，提供一种基于正交试验的贯流风机优化设计方法。

本发明的技术方案如下：

(1)首先确定贯流风机需要优化设计的m个拟优化结构参数；

(2)根据上述m个拟优化结构参数，即m个试验因素，每个拟优化结构参数给出n个不同的数值以代表n个试验水平，采用正交表Lp(p一般取小于30的正整数)，只要经过p次试验，就可以获得p组设计结构参数，从中找出一组最优结构参数；

(3)对p组设计结构参数全部进行贯流风机三维几何建模，对相应风机运用已知的计算流体力学(CFD)方法进行数值流场仿真，并计算风机某一性能指标风量、效率或噪声，或者计算对应权重的所有性能指标；

(4)根据优化得到的上述一组最优结构参数，对其中每一个结构参数，针对其试验水平，在该值附近取n’个不同的试验水平，再采用正交表Lq，同上重复步骤(3)，从中找到一组更优的结构参数；

(5)上述步骤(4)可反复进行多次，即可获得贯流风机的最优结构参数组合；一般情况下，步骤(4)只进行0次或1次；

(6)对贯流风机产品进行实验测试，根据检测的结果来验证本发明优化设计方法是否正确；

(7)如检测结果不理想，适当调整n、p、n’、q值，重新从步骤(2)开始进行，直到步骤(6)获得理想结果。

优选地，所述拟优化结构参数为7个，即：蜗壳间隙、蜗舌间隙、叶片内圆周角、叶片外圆周角、叶片数、叶轮内外径之比以及叶片扭曲角。

当所述拟优化结构参数的个数m＝7，试验次数p＝25，数值个数n＝5时，所述正交表为L_p(n^m)＝L₂₅(5⁷)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明采用的正交试验法，是指运用正交表安排试验方案和进行结果分析的一种试验设计方法。正交表是根据均衡分布思想，运用组合数学理论构造的一种数学表格，具有正交性、典型性以及综合可比性等优点。

2.贯流风机性能指标的计算过程包括对给定结构参数的贯流风机进行三维几何建模，使用CFD前处理软件Gambit进行网格划分和边界设置，运用CFD软件Fluent数值计算风机内部流场。

3.现行的贯流风机参数优化设计主要是以其中一个参数作为变量，其它参数为固定值，以某一性能指标为目标函数，从而求得每个参数的最优值，组合起来得到贯流风机结构尺寸，但这些参数之间不是独立的，是耦合的，因此上述求出来的参数组合不一定是最优组合。而采用本发明的方法获得的参数最优组合基本上是最优组合，大大提高了风机性能。

附图说明

图1为本发明的贯流风机的三维透视示意图图。

图2为本发明的贯流风机的主要结构参数示意图。

图中：

1-扭曲叶片    2-蜗舌             3-蜗壳          4-电机

5-叶轮        6-进风口           7-出风口

ε_c-蜗壳间隙  ε_t-蜗舌间隙       α-叶片内圆周角 β-叶片外圆周角

θ-叶片扭曲角      n-叶片数           D-叶轮外径      d-叶轮内径

γ-叶轮内外径之比(γ＝d/D)

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。

图1是本发明贯流风机整机的三维简图，风机叶片采用扭曲叶片1，扭曲叶片1沿叶轮圆周方向角度不变即等距分布，在整个贯流风机轴向长度方向上，每一叶片扭曲角度为叶片扭曲角。电机4驱动叶轮5旋转，2为蜗舌，3为蜗壳。

如图2所示，D为叶轮外径(单位mm)，d为叶轮内径(单位mm)，α为叶片内圆周角(单位°)，β为叶片外圆周角(单位°)，ε_c为蜗壳间隙(单位mm)，ε_t为蜗舌间隙(单位mm)，n为叶片数，θ为叶片扭曲角(单位°)。假设叶片为两段式圆弧叶片，叶轮转速为1100r/min，风机出风口7的高度为35.2mm，风机整个轴向长度为298mm。

确定贯流风机的主要结构参数为：ε_c，ε_t，α，β，n，γ(γ＝d/D)，θ等7个，即7个试验因素，每个参数给出5个不同的数值以代表5个试验水平，即ε_c＝{1，2，3，4，4.5}，ε_t＝{2，3，4，5，6}，α＝{50，60，70，80，90}，β＝{20，30，40，50，60}，n＝{12，18，24，30，36}，γ＝{0.65，0.7，0.75，0.8，0.85}，θ＝{0，30，60，90，120}。试验指标假设为风机性能指标风量，用体积流率来表示，即代表每小时通过贯流风机出风口断面的空气体积，单位为m³/h。

如果全部试验，共需要5⁷＝78125次试验，才能找到一组结构参数最优组合。本发明采用下表所示的L_p(n^m)＝L₂₅(5⁷)正交表，只要经过25次试验，就可以获得优化解。

对上表中的25组设计结构参数全部进行了贯流风机三维建模和相应的数值计算。从表中计算结果可以看出，对于体积流率的影响，每一个结构参数都不是独立的，它们之间是相互耦合的，其中使性能最优(即体积流率最大)的结构参数组合为：蜗壳间隙ε_c为1mm、蜗舌间隙ε_t为2mm、叶片内圆周角α为90°、叶片外圆周角β为20°、叶片数n为30、叶轮内外径之比γ为0.75、叶片扭曲角θ为90°。

如果还需要进一步优化结构参数组合，可以对上述最优组合参数的每一个取值附近，再给出5个试验水平，即ε_c＝{0.8，0.9，1，1.1，1.2}，ε_t＝{1.8，1.9，2，2.1，2.2}，α＝{88，89，90，91，92}，β＝{18，19，20，21，22}，n＝{26，28，30，32，34}，γ＝{0.73，0.74，0.75，0.76，0.77}，θ＝{80，85，90，95，100}。再采用L₂₅′(5⁷)正交表，又只要经过25次试验，就可以获得更优的解。

最后，根据所得的优化后的结构参数，制造出相应的贯流风机产品，并实验测试出风口断面的风速，换算成风量，来验证本发明优化设计方法的正确性；如果实验测试结果与上述方法计算结果相差较大，可以进一步调整每个参数的试验水平，直到获得理想的实验结果。

Claims (3)

1.一种基于正交试验的贯流风机优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先确定贯流风机需要优化设计的m个拟优化结构参数；

(2)根据上述m个拟优化结构参数，即m个试验因素，每个拟优化结构参数给出n个不同的数值以代表n个试验水平，采用正交表L_p，经过p次试验，获得p组设计结构参数，从中找出一组最优结构参数，这里试验次数p一般取小于30的正整数；

(3)对上述p组设计结构参数全部进行贯流风机三维几何建模，对相应风机运用计算流体力学方法进行数值流场仿真，并计算风机某一性能指标风量、效率或噪声，或者计算风机对应权重的所有性能指标；

(4)根据优化得到的上述一组最优结构参数，对其中每一个结构参数，针对其试验水平，在该值附近取n’个不同的试验水平，再采用正交表L_q，经过q次试验，再同上重复步骤(3)，从中找到一组更优结构参数；

(5)上述步骤(4)反复进行多次，即可获得贯流风机的最优结构参数组合；一般情况下，步骤(4)只需进行0次或1次；

(6)对贯流风机产品进行实验测试，根据检测的结果验证本发明优化设计方法是否正确；

(7)如果检测结果不理想，再适当调整上述n、p、n’、q的值，重新从步骤(2)开始进行，直到步骤(6)获得理想结果。

2.根据权利要求1所述的基于正交试验的贯流风机优化设计方法，其特征在于：所述拟优化结构参数为7个，即：蜗壳间隙(ε_c)、蜗舌间隙(ε_t)、叶片内圆周角(α)、叶片外圆周角(β)、叶片数(n)、叶轮内外径之比(γ)、叶片扭曲角(θ)。

3.根据权利要求2所述的基于正交试验的贯流风机优化设计方法，其特征在于：当所述拟优化结构参数的个数m＝7，试验次数p＝25，数值个数n＝5时，所述正交表为L_p(n^m)＝L₂₅(5⁷)。

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