CN111486116A - 一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统 - Google Patents

一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统
技术领域
本发明涉及鼓风机技术领域，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。
背景技术
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CN 108334709A的发明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。
发明内容
本发明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，本发明采用以下技术方案：
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
Figure BDA0002451607490000033
和压力降百分比
Figure BDA0002451607490000034
为：
Figure BDA0002451607490000031
Figure BDA0002451607490000032
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。
本发明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，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
Figure BDA0002451607490000053
和压力降百分比
Figure BDA0002451607490000054
为：
Figure BDA0002451607490000051
Figure BDA0002451607490000052
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，所述三维分析模块包括：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，所述有限元分析模块包括：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。
本发明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，叶轮的设计包括气动设计、气动计算分析、强度计算及优化分析。可有效的解决先有鼓风机效率低、噪声高、可靠性差等问题，为各行业提供高效低噪的直驱离心鼓风机。所设计生成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。
附图说明
图1是实施例一提供的一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法流程图；
图2是叶轮流道跨叶片载荷分布示意图；
图3是叶片厚度分布示意图；
图4是子午面轮廓曲率示意图；
图5是CFD流场特征示意图；
图6是CFD压力分布示意图；
图7是叶轮三维示意图；
图8是有限元分析应力示意图；
图9是有限元分析应变示意图；
图10是实施例二提供的一种低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计系统结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例一
如图1所示，本实施例提出了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；
本发明针对低比转速离心鼓风机进行三元流叶轮设计，因此，设计的叶轮应满足鼓风机整机的目标需求。因此，首先，本发明首先接收用户的设计输入，确定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数，具体包括风量、风压、转速、风机入口介质状态参数等。
以一种直驱式离心鼓风机叶轮为例，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗。接收用户的设计输入，待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机目标风量为30m3/min，风压为65kPa,设计转速为22500rpm，风机入口介质状态为标准进气状态，电机功率为37kW等。
S2、初始化所述叶轮的参数；
对于叶轮设计，首先需要对叶轮的参数进行初始化。具体地，选取轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数等初始参数。
由于风机为低比转速叶轮，要得到较高的气动效率，因此，本发明所述的叶轮的轮毂比设置为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个等。
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；
通过一维设计和经验公式，计算叶轮直径D2、出口宽度b2宽度等结构参数，例如，叶轮的轮毂比＝ds/D2，其中，ds为轮毂直径。利用一维性能预估模型(两区模型)，对设计工况和非设计工况下的风机整机气动性能参数、初步的失速喘振余量进行预测。风机的气动性能参数包括风机效率、压比等。
例如，通过一维设计和经验公式计算，叶轮直径D2为220-225mm，出口宽度b2为12-13mm，初步分析的设计工况整机多变效率为86％，位于效率曲线最高点；在23m3/min位置出现失速，23-40m3/min为高效安全运行区。
此外，叶轮的盖板与翼尖存在一定间隙(简称“翼顶间隙”)，翼顶间隙量根据叶轮的应变量进行确定，由于翼顶间隙对鼓风机整体性能具有重大影响，计算评估翼顶间隙对叶轮的影响具有重要意义。间隙对鼓风机的压力、效率影响通过以下经验公式确定：
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
Figure BDA0002451607490000085
和压力降百分比
Figure BDA0002451607490000086
为：
Figure BDA0002451607490000081
Figure BDA0002451607490000082
其中，δ为间隙宽度。
通过以上经验公式，可以分析理想值和实际安装产生偏移时，评估鼓风机效率值和压力。比如翼顶间隙为0.5mm，叶轮入口宽度为49，出口宽度为12.6，
Figure BDA0002451607490000083
Figure BDA0002451607490000084
也就是说，间隙为0.5时，相对于理想间隙为0的状态，效率下降1.5％，压力下降0.8％。
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；
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后，通过求解子午面欧拉方程和模拟叶片力等求解跨叶片载荷分布、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。根据已有几何模型，自动生成通流分析网格，然后通过求解二维欧拉方程，应用叶片力模型和经验模型等求解跨叶片载荷分布、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；
为了实现低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计，本发明所述的跨叶片载荷分布、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、叶片厚度分布想要满足相应的设计需求。
例如，跨叶片载荷分布如图2所示，图中横坐标表示叶片前缘(0位置)到尾缘(100)的相对位置，所述的跨叶片载荷最大值小于0.7，50-80位置B2B载荷较大。
叶片厚度分布如图3所示，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。本发明叶片厚度分布具备优良的气动性能和强度性能，气动效率高，应力和应变量小。
子午面轮廓曲率如图4所示，具体地，进出口曲率小(进出口子午面轮廓接近0)，中间提升曲率，可抑制流动分离现象。
因此，本发明判断计算分析的跨叶片载荷分布、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，则进行三维仿真与分析，若否，则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，进行跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布等的分析校核。
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；
满足跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布等设计需求后，采用全三维几何造型进行三维CFD仿真。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。比如叶轮的网格尺寸设置为1-2，翼顶间隙设置为0.5-1，蜗舌设置为3-4，扩压器设置及蜗壳设置为4-5，全域设置为6-8。把划分的网格导入CFD计算软件，建立计算模型，边界条件为入口全压为0，20℃，出口给定流量；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，认为计算收敛，提取计算结果。计算的流场特征图如图5所示，压力分布图如图6所示。
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；
优化的三维叶轮图如图7所示，三维CFD仿真与优化完成后，进行FEA有限元分析，利用有限元数值方法进行应力、应变、热应力和振动模态等分析，由CAD模型自动生成非结构网格，同时可从流场计算结果自动设置相关边界条件。通过计算的风机在各个转速下的应力、应变等参数，分析风机的可靠性与稳定性。
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，该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等参数。风机在各个转速下的应力如图8所示，风机在各个转速下的应变如图9所示。
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。
当流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，就说明设计的风机气动性能、强度等可靠性性能均满足要求，满足待设计风机的设计需求，输出叶轮参数。当流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性任一不满足需求时，迭代修整叶片厚度、安装角等参数，直到满足需求未知。
实施例二
如图10所示，本实施例提出了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；
本发明针对低比转速离心鼓风机进行三元流叶轮设计，因此，设计的叶轮应满足鼓风机整机的目标需求。因此，首先，本发明首先接收用户的设计输入，确定待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机的目标参数，具体包括风量、风压、转速、风机入口介质状态参数等。
以一种直驱式离心鼓风机叶轮为例，叶轮直接挂在电机轴上，为直驱式，无中间过程损耗。接收用户的设计输入，待设计叶轮所对应低比转速离心鼓风机目标风量为30m3/min，风压为65kPa,设计转速为22500rpm，风机入口介质状态为标准进气状态，电机功率为37kW等。
初始化模块，用于初始化所述叶轮的参数；
对于叶轮设计，首先需要对叶轮的参数进行初始化。具体地，选取轮毂比、叶片入口倾斜角、叶片厚度、叶片入口冲角、叶片数等初始参数。
由于风机为低比转速叶轮，要得到较高的气动效率，因此，本发明所述的叶轮的轮毂比设置为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个等。
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；
通过一维设计和经验公式，计算叶轮直径D2、出口宽度b2宽度等结构参数，例如，叶轮的轮毂比＝ds/D2，其中，ds为轮毂直径。利用一维性能预估模型(两区模型)，对设计工况和非设计工况下的风机整机气动性能参数、初步的失速喘振余量进行预测。风机的气动性能参数包括风机效率、压比等。
例如，通过一维设计和经验公式计算，叶轮直径D2为220-225mm，出口宽度b2为12-13mm，初步分析的设计工况整机多变效率为86％，位于效率曲线最高点；在23m3/min位置出现失速，23-40m3/min为高效安全运行区。
此外，叶轮的盖板与翼尖存在一定间隙(简称“翼顶间隙”)，翼顶间隙量根据叶轮的应变量进行确定，由于翼顶间隙对鼓风机整体性能具有重大影响，计算评估翼顶间隙对叶轮的影响具有重要意义。间隙对鼓风机的压力、效率影响通过以下经验公式确定：
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
Figure BDA0002451607490000123
和压力降百分比
Figure BDA0002451607490000124
为：
Figure BDA0002451607490000121
Figure BDA0002451607490000122
其中，δ为间隙宽度。
通过以上经验公式，可以分析理想值和实际安装产生偏移时，评估鼓风机效率值和压力。比如翼顶间隙为0.5mm，叶轮入口宽度为49，出口宽度为12.6，
Figure BDA0002451607490000131
Figure BDA0002451607490000132
也就是说，间隙为0.5时，相对于理想间隙为0的状态，效率下降1.5％，压力下降0.8％。
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；
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后，通过求解子午面欧拉方程和模拟叶片力等求解跨叶片载荷分布、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。根据已有几何模型，自动生成通流分析网格，然后通过求解二维欧拉方程，应用叶片力模型和经验模型等求解跨叶片载荷分布、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；
为了实现低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计，本发明所述的跨叶片载荷分布、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、叶片厚度分布想要满足相应的设计需求。
因此，本发明判断计算分析的跨叶片载荷分布、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，则进行三维仿真与分析，若否，则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，进行跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布等的分析校核。
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；
满足跨叶片载荷分布、压力恢复系数分布等设计需求后，采用全三维几何造型进行三维CFD仿真。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。比如叶轮的网格尺寸设置为1-2，翼顶间隙设置为0.5-1，蜗舌设置为3-4，扩压器设置及蜗壳设置为4-5，全域设置为6-8。把划分的网格导入CFD计算软件，建立计算模型，边界条件为入口全压为0,20℃，出口给定流量；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，认为计算收敛，提取计算结果。
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；
三维CFD仿真与优化完成后，进行FEA有限元分析，利用有限元数值方法进行应力、应变、热应力和振动模态等分析，由CAD模型自动生成非结构网格，同时可从流场计算结果自动设置相关边界条件。通过计算的风机在各个转速下的应力、应变等参数，分析风机的可靠性与稳定性。
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，该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等参数。
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。
当流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性满足要求时，就说明设计的风机气动性能、强度等可靠性性能均满足要求，满足待设计风机的设计需求，输出叶轮参数。当流场特征图、压力分布图、风机的可靠性与稳定性任一不满足需求时，迭代修整叶片厚度、安装角等参数，直到满足需求未知。
由此可知，本发明提出的低比转速离心鼓风机三元流叶轮设计方法及系统，叶轮的设计包括气动设计、气动计算分析、强度计算及优化分析。可有效的解决先有鼓风机效率低、噪声高、可靠性差等问题，为各行业提供高效低噪的直驱离心鼓风机。所设计生成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。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

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
Figure FDA0002451607480000011
和压力降百分比
Figure FDA0002451607480000012
为：
Figure FDA0002451607480000013
Figure FDA0002451607480000014
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系统，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的三元流叶轮设计系统，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
Figure FDA0002451607480000031
和压力降百分比
Figure FDA0002451607480000032
为：
Figure FDA0002451607480000033
Figure FDA0002451607480000034
其中，δ为间隙宽度。
8.根据权利要求6所述的三元流叶轮设计系统，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。
9.根据权利要求6所述的三元流叶轮设计系统，其特征在于，所述三维分析模块包括：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。
10.根据权利要求6所述的三元流叶轮设计系统，其特征在于，所述有限元分析模块包括：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。
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