3.2設計參數(shù)對軸流風機性能影響
為了便于描述,本文中將軸流風機的設計壓力、設計流量和風機轉速統(tǒng)稱為設計參數(shù),將葉輪直後、輪轂比、安裝角和葉片數(shù)等統(tǒng)稱為結構參數(shù)。本節(jié)通過改變設計參數(shù)進行風機設計,并對所設計的風機進行氣動性能的模擬,將性能參數(shù)無量綱化,并繪制“效率-壓力系數(shù)”曲線進行對比。
本小節(jié)討論在不同設計壓力、設計流量和風機轉速下所設計的風機的氣動性能。對于軸流風機有當流量增大時,其風機壓力會下降,所以本小節(jié)將設計壓力和設計流量共同討論,之后再將風機轉速加入一起討論。
3.2.1改變設計壓力和設計流量
本節(jié)中分別選取廠家C某直徑為800mm風機性能曲線中的四個工況作為設計工況進行設計。該風機葉輪直徑為800mm,具有9片動葉,9片動葉完全相同, 并呈周向均布,葉輪輪轂直徑為420mm;后導流器(靜葉)為8片,由圓弧+直線段組成,8片靜葉完全相同,也周向均布,電機外徑為149mm。該風機性能和結構參數(shù)如下: 保證設計風機與該風機具有相同的葉輪直徑、輪穀比和靜葉參數(shù),選擇該廠風機的四種工況作為設計參數(shù)進行風機葉片設計。表3.4給出了四種設計工況下風機的翼型參數(shù)。
當設計流量增大時,風機進口處的軸向速度C;,增大,在相同半徑截面處,葉片翼型的進口氣流角會增大。由于設計壓力的減小,變環(huán)量流型中的常數(shù)會減小,每個截面處的AC;也減小,根據(jù)出口氣流角公式可知,其分子和分母同時增大,而從上表可以看出,其最終的效果是使葉片翼型的出口氣流角減小,從而使葉片型的轉角減小。下圖為四種設計工況下,軸流風機的性能曲線圖3.5。
從“全壓-流量”曲線和“效率-流量”曲線可以看出,當在小流量時,軸流風機的壓頭高,效率低。在一定范圍內(nèi),隨著流量的增大,風機壓頭逐漸下降,而風機效率逐漸增大。此變化規(guī)律與設計參數(shù)無關,不同的設計參數(shù)設計出的風機的性能曲線都呈現(xiàn)相同的規(guī)律。為了更直觀地觀察全壓和效率之間的關系,繪制“效率-全壓”曲線如3.6。
從“效率-全壓”曲線可以看出,效率和全壓呈現(xiàn)反相關關系。當軸流風機效率低時,其全壓高,當風機效率高時,其全壓較低。為了便于后續(xù)與其它結構參數(shù)風機進行對比,將風機性能參數(shù)無量綱化,繪制散點圖如下:上圖中可以看出,根據(jù)不同設計參數(shù)所設計的風機,其“效率-壓力系數(shù)”散點圖在一個帶內(nèi)波動。同樣可以看出,風機的效率和靜壓系數(shù)成反相關關系:當風機壓力高時,風機效率相對較低;當風機效率高時,風機靜壓系數(shù)相對較低即在設計軸流風機時,高壓頭和高效率不能同時兼得,要在兩者之間折中,想獲得高壓軸流風機必定會犧牲一部分效率。以下選取設計流量為21000 m3/h的風機分別在21000 m3/h和30000 m3/h流量下的流場進行分析,流場圖如下:3.9分別為1000 m3/h和30000 m3/h流量時在葉片軸向長度1/2處截得的葉頂間隙處的軸向速度矢量圖:風機葉片四面和凸面的靜壓矢量圖可以看出,在小流量工況下,軸流風機壓力高,在風機葉片頂部的凸面存在較大低壓區(qū)域,在凹面存在較大高壓區(qū)域,葉片la面和凸面之間存在較大壓力差。軸流風機的葉片與機殼之間存在徑向間隙,從葉頂間隙處的軸向速度矢量圖可以看出,風機前后的壓差使風機葉頂間隙處軸向速度與葉片間的主流方向相反,即出現(xiàn)較大的逆流,從而產(chǎn)生泄漏。在小流量、高壓頭的情況下,逆流速度較大,造成風機的泄漏損失也會增大,這也是高壓頭時風機效率下降的一個原因。