離心風機多目標優化及旋轉失速機理研究
關鍵詞：離心風機 發布時間：2013-07-12 點擊數：1157
風機屬于通用機械范疇,在國民經濟的各部門應用十分廣泛。尤其在火力發電廠中,風機是保證電廠安全、經濟運行及實現節能減排的重要設備之一,因此對其經濟性和安全性兩個方面進行研究具有重要意義。本文以G4-73型離心風機為研究對象,采用數值模擬與實驗研究相結合的方法,在分析風機內部流動機理及結構參數對性能影響規律的基礎上,利用遺傳算法對風機性能進行優化,設計高效葉輪及旋渦破碎裝置,并深入研究旋轉失速現象的產生機理及流體動力學特征。主要研究內容及成果如下：
1、離心風機流場動力學特征研究及參數化數值計算平臺開發。在分析網格劃分策略及湍流模型等對計算精度的影響基礎上,對離心風機的內部流場特征進行了數值研究及熵產計算,計算結果與實驗數據吻合良好,為實現風機性能預測和優化奠定了基礎。研究發現,湍流耗散是引起熵產的主要原因,而粘性耗散的影響幾乎可以忽略,其中葉輪體內熵產*大。在確定計算模型的基礎上采用VB編程語言開發了基于參數化的離心風機數值計算平臺,包括參數化建模、FLUENT計算及數據分析三個模塊,實現了葉輪結構參數變化時幾何建模、高質量網格生成、計算模型設置、后處理及數據庫查詢等功能的完全自動化與體化,為深入研究葉輪結構參數變化對風機性能的影響奠定了基礎。
2、離心風機性能的多目標優化及實驗研究。基于參數化數值計算平臺研究了葉輪結構參數包括葉片數、葉片出口安裝角和葉輪出口寬度等對風機性能的影響規律。設計正交試驗構造訓練樣本,基于BP神經網絡構建了離心風機性能參數預測模型,并利用遺傳算法對風機全壓和效率進行多目標優化,獲得了新型葉輪結構參數組合。為驗證優化結果的正確性,對加裝新型葉輪的風機分別進行了數值模擬和實驗研究。結果表明,加裝新型葉輪后風機全壓和效率提高,且高效區拓寬,在65%-100%相對流量范圍內,風機噪聲降低。
3、風機蝸殼流場動力學特征分析及優化。研究了離心風機蝸殼內部流動規律,發現蝸殼內部存在螺旋向前推進的類S型大型旋渦運動。基于減小流動損失和泄漏損失的思想,設計了一種旋渦破碎裝置。對加裝漩渦破碎裝置前后的風機分別進行了數值模擬及性能和噪聲實驗。模擬結果表明,加裝旋渦破碎裝置后,大尺度旋渦得到破碎且強度減弱,蝸殼體內熵產明顯降低,泄漏損失減小。實驗結果表明,加裝旋渦破碎裝置后,相對流量大于45%時,風機全壓明顯增大,且高效區拓寬；風機噪聲降低,且在*高效率點處,風機中、低頻段噪聲明顯降低。
4、離心風機旋轉失速動力學特征的機理研究。基于編寫的UDF節流閥函數對離心風機旋轉失速現象進行了數值模擬,通過在流場中設置監視點獲得了失速團的傳播速度及失速頻率。探討了旋轉失速的發生機理及影響因素,分析了從失速先兆發展到失速團的徑向、軸向和周向全三維的非定常遷移過程,及失速特征和失速團個數的變化。深入探討了失速團的周向傳播機理,且揭示了小流量區風機全壓波動及其頻率的重要原因。研究結果為風機旋轉失速故障的預防、監測與診斷奠定了基礎。
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