[发明专利]考虑自然预旋时离心风机叶轮做功能力的一维计算方法

说明书

本发明提供一种考虑自然预旋时离心风机叶轮做功能力的一维计算方法，包括：考虑了实际离心风机中所存在的进口自然预旋对叶轮做功能力的影响，将Stodola处理离心叶轮出口气流滑移的方法应用于叶轮进口；通过对原有一维计算方法中欧拉方程的简化周速系数φsubgt;2u/subgt;进行修正，提出了考虑自然预旋影响时的修正周速系数φ′subgt;2u/subgt;；将修正周速系数φ′subgt;2u/subgt;与离心叶轮进出口直径、进出口叶片安装角、叶轮叶片数、风机转速及流量参数进行直接关联，推导并提出了考虑进口自然预旋时离心风机叶轮做功能力的新型一维计算方法。该新型计算方法显著提高了离心风机一维方案设计的准确性与可靠性，减少了产品开发过程中风机试验修正的工作量，降低了离心风机一维方案设计对研发人员设计经验的依赖程度，并且具有数学公式简单、物理意义明确、易于在工程设计中应用等优点。

技术领域

本发明属于离心式风机一维气动设计领域，具体而言，涉及一种考虑自然预旋时离心风机叶轮做功能力的一维计算方法。

背景技术

在使用效率法进行离心风机气动设计时，首先需要按照一维设计方法进行方案设计和详细计算。一维设计方法在国内外风机行业中都有着广泛的应用，作为三维设计的核心基础环节，一维设计方案的优劣对于最终三维产品的设计质量将产生至关重要的影响。其中，叶轮做功能力的计算是一维方案设计的关键环节，其准确性与可靠性将直接决定离心风机能否在所需流量下达到预期的设计性能。目前，一维方法在实际工程设计中还存在一定误差。以往研究指出，采用一维方法设计离心风机时，在气动性能方面将会产生±5％～±10％的偏差。因此，为使所设计的离心风机产品达到所需的设计性能要求，往往需要通过进一步的性能试验对其进行修正与改进。

离心风机叶轮做功能力一维计算的基础公式是欧拉方程，即h_th＝v_2uU₂-v_1uU₁。在不考虑进口导叶的情况下，传统一维计算方法均假定叶轮进口不存在气流预旋，即v_1u＝0，则欧拉方程可简化为其中周速系数φ_2u＝v_2u/U₂。上述计算公式表明，离心叶轮做功能力的一维计算与叶轮进口参数不再相关。根据离心风机一维设计中使用最广泛的Stodola公式(即φ_2u＝1-φ_2rcotβ_2A-πsinβ_2A/Z)可知，对于几个出口条件相同的叶轮而言，无论其进口截面的直径、宽度、叶片安装角等结构参数如何变化，计算所得叶轮做功能力都将完全相同。然而，该结论与离心风机实际情况并不相符，从而可能导致一维方案设计存在较大偏差。由于实际工作介质为粘性流体，而在绝大多数离心风机中的流动均为亚音速流动，则根据流体力学理论可知，流体流动中的扰动会逆流上传。因此，在离心风机中，叶轮旋转运动所产生的扰动会逆流上传至叶轮进口处影响进气来流的流动状况，从而产生进口气流的自然预旋，并且为正预旋，即：在无进口导叶的情况下，仍存在v_1u＞0。此外，许多实验研究也已经证明，即使不安装进口导叶，离心风机叶轮进口处的v_1u也不为0，其大小与叶轮进口直径、转速等参数密切相关。因此，若仍采用不考虑进口预旋(v_1u＝0)的传统一维简化计算方法，则计算所得叶轮做功能力往往会高于其实际做功能力，从而导致所设计的离心风机在实际运行中达不到所需的做功量，必须通过性能试验对其进行反复修正。

为了进一步提高离心风机一维方案设计的准确性与可靠性，本发明将Stodola处理叶轮出口气流滑移的方法应用于叶轮进口，提出了一种考虑自然预旋时离心风机叶轮做功能力的一维计算方法，以尽量减少产品开发过程中性能试验修正的工作量，降低离心风机方案设计对研发人员设计经验的依赖程度。

发明内容