（机械电子工程专业论文）基于逆向工程的旋涡风机流场分析及性能研究.pdf

摘要 摘要 旋涡风机是吹吸两用的压力源和真空发生装置，它在国民经济中有着极为广泛的应 用，研究旋涡风机的工作机理及工作性能具有重要的理论意义和现实指导作用。我国在 旋涡风机工作机理的研究、设计和制造等方面与国际先进水平还存在较大差距。逆向工 程的出现，为快速吸收和消化国际先进技术提供了一种快捷有效的手段。论文以国外一 旋涡风机作为研究对象，运用逆向工程技术实现旋涡风机叶轮的逆向制造，在此过程中 对涉及到的旋涡风机基本理论、逆向工程技术以及c f d 流场分析技术做了深入而系统 的研究。 论文首先对旋涡风机作了详细介绍，分析其工作原理，推导了旋涡风机流场内的欧 拉方程。提出了将逆向工程技术和c f d 技术结合应用于旋涡风机的研究中，以旋涡风 机唯一做功部件一叶轮为例，对测量过程做了详细的规划，采用接触式测量和非接触 式测量相结合的方法完成叶轮的数据采集。在i m a g e w a r e 中进行数据处理，提取叶轮几 何模型的特征参数，并在三维软件p r o , r e 里完成叶轮的c a d 模型。根据c a d 模型， 建立旋涡风机二维流动模型，在f l u e n t 内探讨纵向旋涡的形成过程，从压力分布图、 速度矢量分布图等方面分析旋涡风机的流动过程及流动特征，计算结果与已有文献一 致。将设计的叶轮实物化，分析其加工误差，定性研究了叶轮几何参数、气体流动速度、 间隙及隔板等因素对旋涡风机性能的影响，利用现有仪器测得旋涡风机压力流量关系 曲线。 本文的研究，提供了旋涡风机有效的测量数据和准确的c a d 模型；通过旋涡风机 的数值模拟，证实了纵向旋涡的存在，验证了前人旋涡理论假说的正确性；较成功地实 现了叶轮的制造，明确了几何参数对旋涡风机性能的影响，为旋涡风机的设计、研究工 作提供理论指导和依据。 关键词：旋涡风机，逆向工程，数值模拟，流场分析，性能 a b s t r a c t a b s t r a c t r e g e n e r a t i v eb l o w e ri sap r e s s u r es o u r c ef o ra i rb l o w i n ga n dd r a w i n ga sw e l la sa v a c u u md e a e r a t i n gd e v i c ew h i c hi sw i d e l yu s e di nn a t i o n a le c o n o m y s ot h er e s e a r c ho n r e g e n e r a t i v eb l o w e r sw o r kp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c e si so fb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e h o w e v e r , c h i n as t i l ll a g sf a rb e h i n da d v a n c e di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d si ns u c h a s p e c t sa st h er e s e a r c ho fr e g e n e r a t i v eb l o w e r sw o r kp r i n c i p l e ，i t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e e t c f o r t u n a t e l y , r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) c a np r o v i d ea ne f f e c t i v es h o r t c u tt ot h ed i g e s t i o n a n da b s o r p t i o no fi n t e r n a t i o n a la d v a n c e dt e c h n o l o g y t h i st h e s i sw h i c ht a k e saf o r e i 弘 r e g e n e r a t i v eb l o w e ra st h er e s e a r c ho b j e c tr e a l i z e st h er e v e r s em a n u f a c t u r i n go fi m p e l l e rb y m a k i n gu s eo ft h er et e c h n o l o g y , w h i l ea tt h es a m et i m em a k e sa ni n d e p t ha n ds y s t e m i z e d r e s e a r c ho nt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h er e g e n e r a t i v eb l o w e r , r et e c h n o l o g ya n dc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a n a l y s i st e c h n o l o g y t h er e g e n e r a t i v eb l o w e r st h e o r yi si n t r o d u c e df i r s t l yi nd e t a i li nt h et h e s i s ，i n c l u d i n g t h eb l o w e r sw o r kp r i n c i p l ea n de u l e re q u a t i o n i ti st h e np r o p o s e dt os t u d yt h eb l o w e r i n t e g r a t i n gr ea n dc f dt e c h n o l o g y a st h eb l o w e r so n l yw o r k i n gp a r t ，t h ei m p e l l e ri st a k e n a sa ne x a m p l et op r e s e n tt h er e v e r s ed e s i g np r o c e s s ，i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g , f e a t u r ee x t r a c t i o na n dc a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec a dm o d e l ，t h e r e g e n e r a t i v eb l o w e r s2 d f l o wm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h ef o r m a t i o no fl o n g i t u d i n a lv o r t e x i s e x p l o r e d ，t h e nt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c s a r ea n a l y z e di nt h ep e r s p e c t i v eo fp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ne t ci nf l u e n t t h er e s u l t sa r ei nl i n ew i t ht h ee x i s t i n g l i t e r a t u r e i na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g no fi m p e l l e r , an e wi m p e l l e ri sm a n u f a c t u r e da n di t s m a n u f a c t u r i n ge r r o ri s d e t e c t e d s o m ef a c t o r sw h i c hh a v ei m p a c t so nt h eb l o w e r s p e r f o r m a n c ea r es t u d i e dq u a l i t a t i v e l y f i n a l l y , t h ep qc u r v e i sg o t e f f e c t i v em e a s u r e m e n td a t aa n da c c u r a t ec a dm o d e l sa l ep r o v i d e di nt h et h e s i s b y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fl o n g i t u d i n a lv o r t i c e si sc o n f i r m e da n dt h ec o r r e c t n e s s o ft h et h e o r e t i c a lh y p o t h e s i so fp r e d e c e s s o r si sv e r i f i e da tt h es a m et i m e a tl a s t ，an e w i m p e l l e ri sm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l ya c c o r d i n gt ot h er e v e r s ed e s i g n , a n dt h ei n f l u e n c eo f t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h er e g e n e r a t i v eb l o w e r sp e r f o r m a n c ei sn a i l e dd o w n , w h i c h l a y sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r b l o w e r sd e s i g na n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v eb l o w e r , r e v e r s ee n g i n e e r i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f l o wf i e l da n a l y s i s ，p e r f o r m a n c e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注扣致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 垩旌 日 期： 丝! 垒i 里 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文： 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名：至孝 导师签名： e l 期： 7 y f 。矽、弓。 v 第一章绪论 1 1 旋涡风机研究状况 第一章绪论 1 1 1 旋涡风机的发展历史 旋涡风机是在旋涡泵的基础上发展起来的。旋涡泵最早出现于二十世纪2 0 年代， 由前西德的西门和亨施公司( f i r m as i o m o na n dh i n s c hm b h ，i 呦o n ) 创造并推广1 3 】。二 十世纪7 0 年代，旋涡风机作为低压粗真空发生装置发展起来，用于抽送气体。这种以 空气作为工作介质进行增压的装置属于再生式透平机械。旋涡风机的研制我国起步较 晚，7 0 年代末，大连风机厂自行设计制造了我国第一台旋涡风机( 气泵) ；8 0 年代初，原无 锡仪表二厂在消化引进的基础上，成功地研制了x g b 型旋涡风机，后来该厂发展成为 我国最大的旋涡风机专业生产厂。改革开放以来，我国大大小小的旋涡风机生产厂家无 数，但技术还很落后，在旋涡风机产品质量和品种规格上占领先地位的有德国的 r t e t s c h i e 、美国的r o t r o n 、英国和日本的h i t a c h i 公司等【l o l 。 1 1 2 旋涡风机工作特点及应用 旋涡风机是一种吹吸两用的透平压缩机械，它的工作部分主要是旋转的多叶片叶轮 和静止的环形流道，其叶轮与蒸汽透平叶轮结构相似，它的工作特性介于通风机和压缩 机之间，特别适用在要求中等压力( 6 7 5 2 3 k p a ) 、输送空气流量为3 0 - 2 0 0 0 m 3 h 范围的 场合，可大大减少设备的投资，十分经济。旋涡风机还具有结构简单，重量轻，耗能小， 噪音低、价格低廉，流量、压力稳定，设备在运行中无非稳定的压力范围以及操作维修 简单，维护保养方便等优点，但旋涡风机工作效率低、寿命短、无法用来传送粘性较大 的气体【6 j 。 旋涡风机在气流输送、真空吸附、空气吹干、溶液和溶剂的搅拌以及环境保护等方 面有着广泛的应用川。随着科学技术和国民经济的发展，尤其是石油化工、轻工、食品、 纺织和环保等行业的迅速发展，它的应用将越来越广泛。 i i 3 旋涡风机研究现状 旋涡风机结构简单，内部流动复杂，国内外部分学者对其进行了研究，为旋涡风机 的设计、制造做了一定的贡献。但多数的研究工作还是采用试验的方法来进行，总的说 来研究还很不充分，相关的文献并不多，综述如下： l 、国外研究状况 第一个进行旋涡泵研究工作的是德国科学家里台尔( 1 9 3 0 年) 。按照其理论的假说， 流道中的液体依靠纵向旋涡在流道内运动，每经过1 次叶轮，扬程就增加1 次。在此基 础上，后人把旋涡理论发展成为纵向旋涡加径向旋涡理论【5 】。美国j w h o l l e n b e r g 和 j h p o t t e r 研究指出：( 1 ) 用增加叶轮外缘和隔板间隙来提高最佳扬程与最大效率，其效 江南大学硕士学位论文 果是相反的；( 2 ) 试验数据和最大效率与比速的研究表明，提高比速可提高最大效率 2 8 】。 日本山崎、荒井等指出旋涡式风机的叶轮、壳体流道等各结构参数对其性能的影响，但 旋涡风机间隙的取值范围无可供参考的资料，此间隙应视叶轮和壳体的材料以及所输送 的介质等来确定【2 j 。 2 、国内研究状况 我国旋涡风机的发展相对较晚，对相应技术和产品的研究与开发与发达国家相比差 距较大。目前国内能找到并可借鉴的相关资料也很少。 刘相臣等对旋涡风机进行了较全面、详细的论述，包括旋涡风机的工作原理、性能、 结构参数以及旋涡风机的设计方法等 6 1 0 1 。赵复荣等对常规设计方法进行了一些调整， 设计出了可用于低压小流量场合的旋涡风机，扩大了旋涡风机的应用范围【2 4 1 。蔡兆麟等 应用计算流体动力学有关理论对旋涡鼓风机的内部流场进行模拟，指出叶片数、叶片形 状及出口管形状对旋涡风机的影响。 国内部分高校对旋涡风机的研究也取得了一定的成果【1 0 】：山东理工大学和西安交通 大学合作，用边界元素法对叶轮内部流场的数学模型进行了数值模拟，较真实地描述了 旋涡风机内部的流体流动；西安交通大学通过大量的实验表明：适当增大旋涡风机进气 口面积，可提高其效率和扩大流量范围；清华大学和原无锡仪表二厂协作，成功地研制 了无轴向力的层迭式旋涡风机，还采用了水冷却轴承和在轴承套、轴承盖上装设散热片 等新型结构，延长轴承使用寿命。 随着科学技术和经济的发展，旋涡风机在人民生产和生活中将有着越来越广泛的应 用前景，而对旋涡风机技术的研究和产品开发将不断地深入和完善。 1 2 逆向工程概述 1 2 1 逆向工程定义 逆向工程也称反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，缩写r e ) ，是以先进产品设备的实 物、软件( 图纸、程序、技术文件等) 或影像( 图片、照片等) 作为研究对象，应用现 代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，探 索其关键技术，进而开发出同类的先进产品。广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的 一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程，它包括影像逆 向、软件逆向、工艺逆向和材料逆向等几个方面【1 4 1 。 在机械工程领域，大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在实物逆向方面， 它是指将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术 的总称【1 2 】。 1 2 2 逆向工程的应用 逆向工程技术应用领域主要是飞机、汽车、玩具、电子业、鞋业、艺术品翻制、铸 模、人造皮革和家用电器等与模具相关的行业，近年来随着生物、材料技术的发展，逆 2 第一苹绪论 向工程技术也开始应用在人工生物骨骼、美容等医学领域，并带来巨大的效益在机械 领域，逆向工程的应用可归纳如下【2 3 1 1 2 2 1 1 4 8 1 ： ( 1 ) 产品仿制，即给定产品样品，如家电的外壳、铸件等，采用逆向工程的手段， 获取它的三维c a d 模型、绘制产品图纸，获取它的三维c a d 模型，便于设计制造。 ( 2 ) 模具设计，逆向工程可以快速复制产品样件，获取产品的表面数学模型，并 充分考虑产品零件的成型工艺性，从而快速高质量地设计并制造出模具的成型部分，最 后通过c a m 系统进行数控编程，完成模具的加工，这种方法可以大大提高模具的设计、 制造效率及模具质量，从而产生良好的经济效益。 ( 3 ) 产品检测，对加工后的零件进行测量，将其与c a d 模型进行数据比较，可以 检测出误差，分析产品的制造误差，从而进行修改，不断提高产品精度。 ( 4 ) 磨损和损坏件的还原，逆向工程可根据对称性、标准尺寸等特性对磨损、损 坏的零件进行还原和修补，重构零件c a d 模型。 ( 5 ) 快速原型制造，逆向工程的建模技术可以为快速原型制造提供所需的c a d 模 型，两者结合既能为提高工程设计、加工及分析提供充分的信息，还可以提早验证产品 质量和评估市场反应。 1 3 流体动力学技术 1 3 1c f d 简介 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，中文为计算流体动力学) 是2 0 世纪6 0 年代 随计算机技术迅速崛起的学科，它通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和 热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 可看作是在流动基本方程( 质量守恒 方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过该模拟，可得到 极其复杂问题的流场内各位置上的基本物理量( 如压力、速度等) 的分布，以及这些物 理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性等【l 】。 近十多年来，c f d 有了很大的发展，所有涉及流体流动、热交换、分子运输等现 象的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。叶轮机械内部流动数 值模拟也已发展成为一门独立的学科。众多国家都推出了可用于叶轮机械数值模拟的商 业软件，比较著名的叶轮机械流场计算商用软件有n u m c r i c a 、t a s c f l o w 、f l u e n t 、p h o c n i c s 、 s t a l c d 等，目前这些商用软件已广泛应用于流体机械的研究，并为工程实践起到了重 大的作用。 1 3 2 论文使用软件f l u e n t 介绍 f l u e n t 是目前功能最全、国内使用最广泛的c f d 软件之一，它是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动及热传 导的计算机程序，它将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件 之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前后处理工具，节省了在计算方法、编程、 3 江南大学硕上学位论文 前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，从而可以将主要精力用于物理问题本身的探 索上。在f l u e n t 中，采用g a m b i t 的专用前处理软件，它提供了完全的网格灵活性， 可以使用非结构网格来解决具有复杂外形的流动，可以根据解的具体情况对网格进行修 改( 细化倦化) ，减少计算量。f l u e n t 通过图形后处理软件，可以得n - - 维和三维图 像，如速度矢量图、等值线图、等值截面图等，它还可以通过积分功能求得力和流量等 数值。总之，作为f l u e n t 软件在一般工程技术中的应用价值是毋庸置疑的【l 】。 f l u e n t 由前处理器g a m b i t 、计算求解器、后置处理器三大模块组成，其基本程 序结构示意图如图1 1 所示。 p r e p d f p d f 查表 p d f 程序 g a 位i t 设置几何形状 生成2 d 或3 d 网格 几何形状或网格 2 d 或3 d 网格 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 网格 边 界 网 格 其他软件包， 如c a d ，c a e 等 边界和 ( 或) 体网格 t g r i d 2 d 三角网格 3 d 四面体网格 2 d 和3 d 混合网格 图1 - 1f l u e n t 基本程序结构示意图 h g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eb a s i cp r o c e d u r eo f f l u e n t 1 4 课题背景、意义和主要内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于校企合作项目，是某公司为实现旋涡风机的自主化生产的研究课题。 1 4 2 本课题研究背景及意义 市场全球化使国家、企业面临着激烈的竞争，市场竞争己渗透到各个领域，随着科 学技术的高速发展，科学成果的应用己成为推动生产力的重要手段。如何更好、更快的 发展科技和经济，各国都在研究对策，充分利用他国的技术成就加速本国经济和技术的 发展，己成为普遍的手段。逆向工程技术作为快速吸收和消化国内外新技术新产品的一 种有效手段，面对我国旋涡风机发展的现状，充分利用逆向工程来改变这种落后的局面 是行之有效的。 我国旋涡风机的研究起步较晚，虽然结构简单，但其内部流动具有明显的分离、旋 涡等现象，很难用详细的理论进行分析，虽然也提出了若干模化试验等方面的理论关系， 4 蔓二兰丝丝 但总的说来，研究还很不充分针对旋涡风机的流场的研究国内多依赖于试验，其研究 的深度和进展受试验手段的局限性制约。在科技发展迅速的今天，采用数值计算方法对 风机内流场进行研究已逐渐成为一种重要手段，而利用现有的c f d 商业软件可以带来 很大的方便。 针对现有一进口旋涡风机，提出采用逆向工程技术对其主要工作部件( 叶轮、风桶 和风盖) 进行反求，准确地获取产品外形特征，从而将实物样件转化为产品的数字化 c a d 模型，根据数字化结果将叶轮制成产品。根据数字模型进行旋涡风机的数值模拟， 分析其内部流动状况，为旋涡风机的设计、研究提供依据。 1 4 3 本课题主要研究内容 本课题以实验室现有的接触式测量设备l k - g 9 0 c 三坐标测量机和非接触式测量设 备t d v - - 8 0 0 激光扫描仪为硬件工具，以i m a g e w a r e 、p r o e 、a u t o c a d 、f l u e n t 为 软件平台，对旋涡风机进行了系统、深入的分析和研究，实现旋涡风机的设计、叶轮的 制造以及旋涡风机的内部流场的模拟。主要研究内容如下： 1 、旋涡风机基本理论研究 分析本课题研究的旋涡风机的结构特征，对旋涡风机内部流动进行初步的理论分 析，推导旋涡风机内部的基本方程。 2 、旋涡风机逆向造型方法研究 采用逆向工程测量技术，完成旋涡风机主要零部件( 叶轮、风桶和风盖) 的数据采 集，对测量数据进行处理，利用p r o e 获得零件的c a d 模型。 3 、旋涡风机数值模拟 对旋涡风机进行二维数值模拟，主要研究模型的建立、网格的划分、模拟数值等问 题，并对计算结果进行分析与比较。 4 、旋涡风机性能研究 根据设计的叶轮c a d 模型，试制一叶轮，分析叶轮的加工误差，从旋涡风机性能 的影响因素，利用现有设备获得风机流量压力性能曲线。 5 江南大学硕士学位论文 第二章旋涡风机概述及基本理论 对旋涡风机进行研究的首要步骤是要对其基本知识及理论有一个全面的认识，分 析、探究旋涡风机的工作原理和基本流动方程是研究的基础，本章对旋涡风机基本理论 及流动方程进行研究，为后续的研究工作奠定基础。 2 1 旋涡风机概述 2 1 1 旋涡风机的命名 随着旋涡风机的发展，虽然命名方式多种多样，但都从不同侧面反映了旋涡风机的 各种特点。从工作原理上讲，旋涡风机( v o r t e xb l o w e r ) 依靠离心力和旋涡双重作用 工作，因此国外称其为“r e g e n e r a t i v eb l o w e r , 即再生式鼓风机或反馈式鼓风机；从输出 结果看，旋涡风机产生的风压是相同转速、相同直径的离心式风机的1 2 1 7 倍，与多 级离心式通风机性能相差无几，因此国外又称其为“h i g hp r e s s u r er e g e n e r a t i v eb l o w e r ， 即高压鼓风机；从结构布置上看，旋涡风机流道的压缩空间布置在风机的侧面，因此在 德国又称其为“s i d ec h a n n e lc o m p r e s s o r ，即侧管压缩机：因叶片周向布满叶轮四周， 构成环形流道，又称为“r i n gb l o w e r ，即环形鼓风机；因其机构特点和旋涡泵极为相似， 国内常称其为旋涡气泵；功能上讲，既可用来抽吸气体也可用来压送气体，也称为抽吸 两用旋涡气泵。本文研究的过程中，称其为旋涡风机( 简称风机) 。 2 1 2 旋涡风机分类 1 、按叶轮和流道形状分 旋涡风机叶轮形状多种多样，其中最基本的有直叶片、前弯叶片、后弯叶片以及它 们的组合形式等。按照叶轮和旋涡风机进出口的相对位置可分为闭式叶轮和开式叶轮两 类：所谓闭式叶轮，即流道将叶轮的叶片与旋涡风机的进出口完全隔开的叶轮，闭式叶 轮叶片短，气体可从吸入口直接输送到流道中去，叶轮内径等于流道内径；开式叶轮的 叶片直接与旋涡风机的进出口相通，其叶片长，从进口吸入的气体必须经过叶片后才能 流入流道，叶片内径小于流道内径。图2 2 ( a ) 是典型的闭式叶轮，2 2 ( b ) 是典型的 开式叶轮。 按照流道和风机进出口的相对位置，流道可分为开式流道和闭式流道，如图2 2 所 示。所谓开式流道，即流道与旋涡风机进出口直接相通的流道，闭式流道是流道与风机 进出口不直接相通的流道。 根据不同的分类方法，旋涡风机可划分成很多类别，其中，按照叶轮和流道的形状 可分为闭式旋涡风机和开式旋涡风机两类，如图2 3 所示：闭式旋涡风机采用闭式叶轮 和开式流道组合的形式，其结构简单，效率较高，应用广泛；开式旋涡风机采用开式叶 轮和闭式流道组合的形式，它能够实现自吸功能，但效率低。 6 第二章旋涡风机概述及基本理论 庳翠胀 ( a ) 直叶片 ( b ) 前弯叶片( c ) 后弯叶片 图2 1 叶片形状 f i g 2 1d i f f e r e n ts h a p e so f b l a d e s ( a ) 开式外围侧边式嘞闭式侧边式 图2 - 2 流道形状 f i g 2 - 2d i f f e r e n ts h a p e so f f l o wc h a n n e l s ( a ) 闭式旋涡风机开式旋涡风机 图2 - 3 旋涡风机 f i g 2 - 3b l o w e r s 2 、按级数分 根据叶轮数目的不同，旋涡风机有单级、双级和多级之分，单级风机有一个叶轮， 两级风机有两个叶轮，多级即有多个叶轮，级数越多，进出次数越多，输出的压力越高。 常用的是单级和双级旋涡风机，如图所示。 7 南 学倾学位论立 淼鞠 图2 4 单级旋涡风机 f i 9 2 ms h g ks t a g e o f b i o w e r 2 2 旋涡风机基本结构及工作原理 图2 - 5 双级旋涡风机 f i g2 5 d o u m es t a g ：o f b l o w 盯 2 2 1 课题研究的旋涡风机结构 本文研究的是单级、闭式旋涡风机，叶片是直叶片和前弯叶片的组合形式。旋涡风 机外形结构如图2 - 6 ，它主要由叶轮、壳体( 或风桶和风盖1 、转子、消音海绵、马达桶 ( 组) 、轴承、散热片、脚座、挚片等零部件构成。其工作部分主要由5 2 个叶片的叶轮 和具有环形流道的壳体组成。叶轮安装在风桶和风盖构成的壳体内，叶片和叶轮轮盘整 体压铸而成。安装时叶轮端面尽可能地靠近壳体的两侧壁板转子和叶轮采用键连接电 机的转子与风机共用一根轴，除风机轴上的轴承外其他部位没有任何接触摩擦。在壳 体的下部设有径向分布的吸入口和排出口，它们彼此靠近中间用固定的隔板隔开，隔 板与叶轮外缘形成很小的径向间隙，以不使气体短路。旋涡风机的吸入管和排气管均有 消音器，以降低噪音。 图2 石旋涡风机外形结构 f i 9 2 - 6 r c g e a e r a t i v e b l o w e r ss t r u c t u r e 第二章旋涡风机概述及基本理论 旋涡风机虽然属于叶片式机械的范畴，但其工作过程、结构以及特性曲线的形状等 与其他类型的风机都不相同。不同型号的旋涡风机其结构、工作原理也不尽相同。本文 研究的是h b 型风机，其功能主要侧重于风压的提高，它的详细结构如图2 7 所示，以 h b 2 2 9 为例，其型号含义如下： h b 一2 2 9 ( l ) n i g hp 瑚i u 坦古椭口p r 9 0 e线画型萼玺 旋涡风机工作原理主要归纳起来可以分为两大类：一是摩擦紊流原理，一是动量交 1 、摩擦紊流原理【3 6 】 摩擦紊流原理认为旋涡风机叶轮外缘布满了许多形状如叶片所组成的沟槽，在包含 9 江南大学硕士学位论文 气体的流道内运动产生紊乱摩擦，使气体发生搅和作用。即通过叶轮粗糙表面与流道内 的气体的相对流动，产生摩擦力，从而把原动机的能量传递给流道内的气体。 叶轮对于气体的摩擦切应力t l 越大，风机壳体阻止气体的摩擦力t 2 越小，则风机 压力越高。f l 依叶片数及形状等不同。叶轮与气体相对速度越增大，t l 则值越大。如果 流量减少，即流速降低，因与圆周速度u 运动的叶轮的相对速度相比变大了，则压力增 高。另一方面吃随着与气体的相对速度越增大，其值也变大，因此气体的流速减小后， 其与固壁的摩擦力晚也减小，而压力增高。即旋涡风机流量越小，压力越大，流量越 减小，压力越升高。 2 、动量交换原理 动量交换原理认为气体由旋涡风机的吸入口进入腔内后，由于叶轮槽道内运动的气 体的离心力大于静止流道内气体的离心力，在叶轮的高速运转的过程中，叶轮叶片间的 气体在离心力的作用下，向叶轮外缘的静止流道内流动，将一部分动量传递给流道中的 气体。这样就给气体一个沿叶轮旋转方向的冲量，气体的动能部分转化为压力能，使流 道中的气体能量得到增加。 撞击到壳体后的气体改变运动方向，转而向内流动，在后一级叶片的叶根方向返回 叶轮，再以同样的方式循环。这种环流作用和叶轮旋转作用的合成，使气流均匀地加速， 并以螺旋线的形式流出，该螺旋线对于壳体而言是前进的螺旋线，对叶轮来说是后退的 螺旋线，如图2 9 所示。 ( a ) 后退的螺旋线b ) 前进的螺旋线 图2 - 9 气体在旋涡风机内运动示意图 f i g 2 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo fg a sm o v i n gi nr e g e n e r a t i v eb l o w e r 旋涡风机工作过程中，叶轮槽道和环形流道之间的气体纵向压力和速度的分布不 均，将产生强烈的环流即纵向旋涡，其矢量方向指向轴向方向。又因叶片两侧的压力不 同，其压差将引起叶轮槽道与侧流道之间的环流即径向旋涡，其矢量方向与叶轮的径向 平行，如图2 1 0 所示。旋涡风机工作时，纵向旋涡与径向旋涡同时作用，但随着叶轮和 流道几何尺寸的比例与形状以及风机工况的不同，两种旋涡所占的优势也会有不同。在 绝大多数旋涡风机当中，纵向旋涡是公认的占主要优势的作用机理【8 】。 l o 第二章旋涡风机概述及基本理论 ( a ) 纵向旋涡径向旋涡 图2 1 0 旋涡示意图 f i g 2 1 0b l o w e r ss c h e m a t i cd i a g r a m 气体从吸入口至排出口的整个过程中，气体循环多次地吸入和甩出，而气体每流入 叶轮一次( 并被甩出一次) ，就获得一次能量，相当于离心风机的一个级，气体经多次 甩出相当于经多次压缩，因此，在叶轮外缘线速度相同的情况下，旋涡风机所产生的压 力比离心式或轴流式风机的风压要高，甚至高达1 2 1 7 倍，这正是旋涡风机突出的优点， 也是高压鼓风机命名的由来阴。 2 3 旋涡风机欧拉方程 为使问题简化，在推导过程中采用以下假设，建立流动模 刑【4 0 】 ： ( 1 ) 叶轮具有无限多个叶片，叶片厚度极薄。气体在叶片之间 的流道中流动时，流速方向和叶片弯曲方向相同，同一圆周上 流速的大小是均匀的； ( 2 ) 流过叶轮的气体是理想气体，流动过程中没有能量损失。 旋转篙僦煞嚣窨翌蝉方程推导一旋转的力矩等于单位时间内控制流面气体对该轴的动 ” 量矩的增量与通过控制面净流出的动量矩之和。 。 。 取图2 1 l 叶片进出口圆柱面为控制面，当叶轮转 1 速恒定时，气体运动是恒定流动，控制面气体内气体动量矩增量为零，则外力矩等于单 位时间内通过控制面流出与流入的动量矩差值。 单位时间内通过叶片出口断面流出的动量矩为： m ：= p g r y r ：r ： ( 2 - 1 ) 单位时间内通过叶片出口断面流入的动量矩为： m 。= 趔r y r ，r 。 ( 2 - 2 ) 式中，r l 叶轮内道内径；r 2 - - - - - 叶轮外径；q 一流量；p 气体密度； v t l 内流道气体切向分速度；v l r 矽卜流道气体切向分速度。 江南大学硕上学位论文 m = m ：一m 。= p q r ( y r ：r ：一矿r 。r 。) ( 2 3 ) m 为外力矩，将上式两边乘以角速度，而m 缈= n 。n 是外加功率，在没有能量损 失的情况下，n = 五q r 日r ( 九为气体重度，即单位体积内所具有的重力，彳= g p ) ，又 u ，= r p ( i = l ，2 ) ，则上式可写为： m 缈= = 旯q r h r = p q r ( y r ：“2 1 v r 。u 。) ( 2 - 4 ) 整理得单位重量气体获得的能量为 肿毕 式中h t 为叶轮叶片流道中单位质量气体所得到的能量头， 即为旋涡风机的欧拉方程。 由欧拉方程式可以看出： ( 2 5 ) 又称理论能量头。式( 2 5 ) ( 1 )气体所获得的理论能量头h t ，仅与气体在叶轮进出口的速度有关，与叶轮内部 的流动过程无关； ( 2 )气体所获得的理论能量头h t ，与被输送气体的种类无关，只要叶轮进出口的速 度图相同，都可以得到相同气柱高度( 能量头) 。但水与空气所需功率不同，因为功率 和气体的重度成正比。 欧拉方程是在叶片无限多和叶片无限薄的假设下得到的。实际上，叶轮的叶片数目 只有几片或几十片，叶片之间的流道有一定的宽度：当叶轮旋转时，气体由于惯性，产 生与叶轮转动相反的涡流。相对涡流与沿叶片的均匀流动迭加，使流道内流速发生改变， 有限叶片叶轮的能量头降低。可采用涡流系数k 来表示此影响，即 h r = k 日r ( 2 6 ) 理论与试验表明，涡流系数k 与叶片数目、叶轮内径和外径比值、气体粘度等因 素有关。 气体流动过程中，由于粘性的存在必然产生流动损失，因此实际能量头h 必然小 于理论能量头h t ，用水力效率佃考虑此项能量损失。 h = r h h r 2 7 7 日r ( 2 - 7 ) 2 4 旋涡风机能量分析 对于实际的叶轮来说，原动机传给叶轮的总功p 分为三部分：一部分为叶轮传给气 体的功率p e ；一部分消耗在机械损失上，包括轴承摩擦损失及叶轮摩擦损失等；还有 一部分内漏气损失，包括气体流过壳体与叶轮断面之间的轴向泄漏损失以及流过隔板断 面间隙和圆周方向径向间隙的泄漏损失，如图2 1 2 所示。 1 2 第二章旋涡风机概述及基本理论 叠一机械损失：b 一旋涡工作过程输送损失；c 一流道密封客积损失；d 一流遭中沿程损失；c 一进、出 口损失；f 一联接密封处的容积损失 图2 1 2 能量损失示意图 f i g 2 1 2d i a g r a mo f e n e r g yl o s s 在流道内，气体一方面得到能量，另一方面又有能量损失。其能量损失可分为两种， 一种是气体在流道中流动，克服摩擦阻力所引起的损失，另一种是依靠旋涡工作过程传 递能量时引起的损失，称之为旋涡工作过程中的能量损失。在旋涡风机中气体从吸入口 进入流道和从流道进入排出口时也有能量损失，成为进、出口损失。旋涡风机的容积损 失由两部分组成：一种是流过风机壳与叶轮端面之间的轴向泄漏损失，一种是流过隔板 端面间隙和圆周方向径向间隙的泄漏损失【3 4 1 【3 9 1 。 2 。5 本章小结 本章介绍了旋涡风机的命名、分类以及本课题所研究的旋涡风机的结构特征。由于 旋涡风机工作机理尚未形成统一而完善的理论，文中仅从紊流摩擦理论和动量交换理论 这两种较普遍的理论分析它的工作原理。由分析可知，旋涡风机相当于一个多级串联的 离心风机，气体进入叶道的次数相当于多级离心风机的级数。根据流体动力学基本方程 给出了旋涡风机内部流动的欧拉方程式，分析风机内的能量损失，这使我们对旋涡风机 有了一定的了解，为后续的研究奠定基础。 1 3 江南大学硕二e 学位论文 第三章旋涡风机逆向设计技术研究 旋涡风机的传统设计方法有模型换算法和经验系数法，这两种方法设计周期长，难 度大，对设计人员要求很高。为加快旋涡风机的设计进程，降低设计难度、缩短设计时 间，必须寻求一种新的设计方法。反求设计作为一种逆向的思维方式，在这一方面起到 了重要的作用。如何准确、快速地获得旋涡风机的c a d 模型是本章研究的重点，数据 测量技术、数据处理技术以及模型重构技术是逆向工程的关键技术，本章将分别对其进 行研究。 3 1 旋涡风机设计方法研究 圆圈画 = 高j ：圃 1 4 第四章旋涡风机内部流场数值模拟 3 1 2 逆向设计的提出 旋涡风机的正向设计周期长，财力物力消耗大，对设计人员也有很高的要求，在经 济全球化的今天，此方法在一定程度上已不适宜。为尽快掌握旋涡风机的国际先进技术， 缩短研发周期和成本，必须寻求新的设计方法。逆向工程技术的出现，可以对已有的先 进产品进行改进，以避开原始设计阶段，是解决设计问题的一种全新方法。 由于技术保密，我们不可能获得旋涡风机的图样、技术文档、工艺等技术资料，而 旋涡风机实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类研究对象。在只有旋涡风 机实物模型的条件下，可以基于实物逆向工程对旋涡风机零件进行生产制造，实现对旋 涡风机的仿制，通过重构它的c a d 模型，在探寻了解原设计技术的基础上，实现对旋 涡风机原型的修改和再设计。由于能在很短的时间内复制实物样件，从而缩短开发周期、 提高经济效益、生产能力和产品质量，加快了企业技术进步的步伐。 3 1 3 叶轮逆向设计规划 逆向设计就是根据已存在的零件获得工程设计数据的过程，其最终目的是要获得所 需产品的c a d 模型，基本流程如图3 - 2 所示。主要有三方面的工作：产品数据获取、 数据处理和模型重构，如图3 2 所示。数据获取就是根据现有零件用测量设备获取其表 面各点的坐标值，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进及制造等；测量的数据 由于存在格式多样性、测量误差、多视测量定位等问题，需要对其进行格式转换、数据 过滤、整合对齐等处理，以获得正确、完整的测量数据，即数据预处理：模型重构即构 造出产品的c a d 模型。 。 匪亟匡圣圈 数据滤波 ， 多视拼台 一 数据处理 坐标转换 叵痢 图3 2 逆向工程工作流程 f i g 3 - 2r ew o r k f l o w 1 5 困圃困困困一一一一园 江南人学觏学位论立 ( a ) 叶轮( b ) 轮毂局部放大 目3 - 3 叶轮洲量件 f i g3 - 3 l m p e l l 盯t o b e m e a s 町e d 由上一章分析可知，叶轮是旋涡风机中唯一做功的元件其形状和几何尺寸的变化 对风机的性能有很| 凡影响，课题以叶轮为研究对象，探究其逆向设计技术。由图3 3 可 以看出叶轮由规则曲面( 如平面、圆柱、圆台、孔等) 组成，按照图3 - 2 的方法进行 逆向设计，对设计过程进行详细的研究。 3 2 叶轮测量技术研