1 绪论
1.1 研究背景与意义
叶轮机械是借助转动时叶轮叶片产生的能量传给连续流动的流体或依靠流体输出的能量作用于叶片使叶片进行旋转的装置，它被广泛应用于机械设备众多领域，是国家重要的经济组成部分，应用于能源与电力，化学工业，石油工程，矿井通风，金属冶炼，建筑空调，食品，医药，水利项目，供水的城市，灌溉等多个方面，对于叶轮机械在提高其额定工况的运行效率的基础上，拓宽高效稳定工作区间，保持在安全状态下长期运行，在节能减排的实现过程中占据重大地位。叶轮机械的效率提升效果和运行状态已经演变为衡量国家工业化发展水平的一项重要指标，因此重点关注叶轮机械的设计，深入对其运行状态的研究有利于我国的工业发展。
在叶片式风机中，离心式风机和压缩机的应用最为广泛。由于该类型风机大体是利用旋转产生的离心力使得气体压力升高，由于这样产生的压力高于速度变化时导致的一部分压力升高，所以在高压升的范围下使用次数频繁。但由于从气流垂直方向看叶片的横向宽度较大，风机运行不稳定，受力不均匀从而使得效率恶化，故离心风机过流气体体积较小。所以，离心风机通常用于气体压力较大而通过气体体积较少的场合。
离心式压缩机普遍的流量和预旋调节方式包括节流控制、进口导叶开度控制、扩压器控制、变速调节等。可调节入口导叶(inlet guide vane, VIGV)的控制方式主要是调整叶轮前置导叶的旋转角度来控制过流面积以改变流量。对比其他调节方式，进口导叶的控制方式操作简单，成本较低，能够在风机保持运行状态下调节角度，利用液压控制或者气动控制连入系统能够进行自动控制[1-3]。
离心通风机在农林业、能源的回收与利用、化工制造行业、金属冶炼、环境工艺等重要行业得到了广泛应用。它是许多行业进行正常运行的安全保障，也是不可或缺的能耗设备[4]。根据数据显示，风机的电能消耗约占全国发电量的8% ~ 10%，提高离心风机的整机效率以及工作稳定性在降低耗电量的改善效果中占据了不可或缺的地位。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 前置导叶优化设计研究
可调的入口导叶在它已被用于上世纪中叶早期的流体机械。目前，对于离心式压缩机中IGV理论体系已演化至较为完善的程度，并且试验方法趋于成熟。现阶段，国内外对离心式压缩机前置导叶的研究方法大致集中在整机影响、涉及到的知识结构设计对其性能的影响、导叶的普遍问题和相关应对技术等[3]。
早期的实验研究主要集中在可调导叶的使用对整体性能的影响。研究发现可调的进口导叶的调节规律可以适用于大部分叶轮机械，Ronald J[7].、Donald C.Urasek[8]和StepanoffAJ[9]对针对压气机、鼓风机中的导叶调节作用，通过实验发现通过进口导叶合理的转动，调节攻角能够使得风机整机效率以及输出功率达到工作需求。Simon H[10]等以单级、多级离心压缩机为研究对象，对IGV进行实验，研究发现离心压缩机具有规律相似性，IGV的调节效果主要分两部分，首先导叶调节能够使转子在工作范围内效率得到提升，同时，适当地进行导叶开度调整能够拓宽整机的工作范围。Rodgers C[11]在对失速运行的叶片扩压器进行了实验研究后，发现可调导叶可以拓宽喘振线，能让离心压缩机保持在正常不变化的流量区域内稳定运行，这提高了一定范围内扩压器失速时运行的安全稳定性。
IGV依靠导叶转动使气流角发生变化来实现流量控制。随后大量的实验研究集中在导叶调节机理研究上，其中包括了许多变工况下导叶调节影响研究中。Kassens I[12]则对变导叶开度下离心叶轮冲击损失进行了数据收集，实验结果证明正入射角度较小时离心压缩机在高效率区运行，距离低负荷范围较远，随着角度增加，总压损失增加。Minoru Ishino[13]等以压缩机为研究对象进行试验，发现一定预旋作用可以提高压缩机效率。
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2 高比转速离心通风机的数值模拟研究
2.1 高比转速离心通风机的主要参数
高比转速离心通风机的主要组成结构为气流进口段、前导器、集流器、叶轮、蜗壳。王维等对该通风机的性能进行了实验测试。数值计算中对离心通风机实际结构进行了合理简化，简化后模型不包括轴承、连接法兰，忽略发动机的结构对高比转速离心通风机外特性的影响。在适当简化的风机模型基础上，为了营造符合实际边界气体状态的模拟效果，对气流进口管道进行了一定程度的延长，气流进口延长段大致设置为3个叶轮直径大小。
2.2 网格划分
风机计算模型分为进口段、前导器、蜗壳和叶轮四部分，均采用六面体结构化网格拓扑，如图2-2所示。
3 变导叶开度下离心通风机内部流动损失机理........................ 15
3.1 离心通风机的损失............................ 15
3.2 前导器轴向安装间距对离心通风机性能影响机理............................. 15
4 导叶的三维数值优化............................ 25
4.1 优化方法基础.................................. 25
4.2 导叶叶型对风机性能影响................................ 25
5 变导叶开度下导叶-叶轮匹配优化 ........................................ 39
5.1 叶轮结构对离心通风机气动性能影响........................ 39
5.2 不同叶片数叶轮与导叶匹配关系对风机性能影响........................ 44
5 变导叶开度下导叶-叶轮匹配优化
5.1 叶轮结构对离心通风机气动性能影响
为了研究叶轮叶片几何形状对高比转速离心通风机气动性能以及稳定性的影响，基于叶片弦长、叶片进出口安装角以及最宽厚度所在位置不变的条件下，对3种不同叶片几何形状的叶轮模型进行全通道数值模拟，得到不同叶型对风机气动性能以及运行稳定性的影响规律，叶片几何形状见图5-1。
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6 总结与展望
6.1 总结
离心通风机在农林业、能源的回收与利用、化工制造行业、金属冶炼、环境工艺等重要行业得到了广泛应用。目前，对于离心通风机的研究多数注重其在额定工况下的性能，而通风机在实际运行过程中受生产负荷、工艺条件及通风系统的影响，常在变工况下低效运行，甚至故障运行。因此，本文针对变导叶开度下的高比转速离心通风机通过对其内部流场的分析揭示离心通风机内部流动损失机理，并对其前导器进行优化设计，通过改善进口气流状态整体提高离心通风机效率，并针对对优化后的前导器进一步研究各参数对效率影响，探究新型前导器的适用范围，为改善进口气流提供新的优化思路。
本文首先对不同导叶开度下离心通风机的进行几何结构模型建立并对其进行数值模拟，对比试验验证结果。通过非定常数值模拟探究离心通风机内部损失机理，为改善进口气流做好前期工作，获得优化思路并对离心通风机进行优化，主要获得以下结论：
（1）前导器轴向安装间距对离心通风机性能影响机理
通过对三种导叶开度、五种前导器安装间距下的通风机进行了全通道非定常数值模拟。在不同导叶开度下，通风机均在前导器与集流器轴向安装间距为1倍叶轮直径时获得最优性能。当导叶开度为90°时，前导器处于最优安装间距后使风机全压提高5.4%，效率提高2.8%。随着导叶开度的减小，调整前导器轴向间距对风机性能的影响程度降低。前导器位于最优安装间距后，前导器叶片尾迹和中心轴尾迹对叶轮进口的影响降低，叶轮进口相对气流角减小，叶轮效率升高；同时，蜗舌处湍流耗散减少，蜗壳压力损失降低，风机整机效率提高。在最优安装间距处，导叶与叶轮的非定常干涉程度降低，叶轮入口和蜗舌处压力脉动幅值下降30%以上。因此，优化前导器轴向间距可在提高风机运行效率的同时降低压力脉动水平，有利于风机高效和安全运行。
（2）多种导叶优化方案对离心通风机气动性能的影响
通过选取了三种不同叶型，并对其中最优翼型进行参数化设计，以及设计新型前导器的方法以减小通风机内部流动损失，提高整机效率。在本文所选取的离心通风机模型上，叶根叶尾带有扭转角度的对称翼型前导器在不同导叶开度下的各个工况点效率达到最高。且发现在较大导叶开度下，带有扭转角度的对称翼型导叶能够通过改变叶轮内高湍动能区的位置，改善气流出口状态。气流进入蜗壳后，蜗壳内部湍动能耗散减小，流动损失降低。这表明，优化后的前导器在不同导叶开度下均可获得较好的性能改善效果，在较大导叶开度下对整机效率提升作用更明显。由于预旋作用随着导叶开度变化也发生变化甚至会出现负面影响，因此对于本文研究的离心通风机设计新型浮子式前导器，以期获得无预选的进口气流，提高风机运行稳定性。虽然新型浮子式前导器在小流量工况下效率有所下降，但能够提升全压和设计工况已经大流量工况下的效率，可以代替蝶阀和前导器两个部件，由浮子的沿轴向移动完成流量控制和导叶全关，具有良好经济性。
参考文献（略）