叶轮的离心风机叶片设计优化

文摘

方法提出了重新设计一个离心叶轮及其进气导管。双排量蜗壳结构约束,保持其形状。重新设计工作是针对会议设计蜗壳出口压力,同时减少风扇运转所需的力量。考虑到高基线叶轮的性能,设计采用了高保真CFD-based计算方法能够占所有气动损失。目前的努力与经验转向利用数值优化技术重新设计的风机叶片,进气导管,叶轮的裹尸布。由此产生的流动路径的修改不仅满足压力要求,但也减少了风扇功率8.8%基线。精制的CFD评估叶轮/蜗壳耦合和固定式导管之间的差距和旋转裹尸布显示效率的减少由于蜗壳和差距。计算验证,新叶轮比赛更好的与原蜗壳。预测模型爱好者测量数据被用来验证CFD和叶轮的设计目标。CFD结果进一步证明之间的雷诺数效应模型,全面的粉丝。

1。介绍

重型气垫船通常采用离心升力风扇增压空气缓冲和权力转向推进器。电梯风扇系统的设计必须满足负载,机械间距,和强度要求1]。当前low-specific-speed (B)基线升力风扇叶轮(命名为# 1叶轮摘要)如图1安装了一个双排量蜗壳(DDV)如图2提供空气缓冲升力和推力矢量。叶轮是双幅,双进口(DWDI)离心式和两个nonstaggered叶片行。每个叶轮片行backward-swept叶片安装之间的共同支承板和寿衣。为了有效地管理工艺燃料消耗,减少风扇的运行功率是必要的。由于DDV结构约束和要求保持形状,基线叶轮和双承口(或进气导管)大会因此重新设计提高风扇性能。除了基线叶轮,叶轮现有参考(命名为B # 2叶轮)提供进一步的参考基准的性能比较。本文进行了系统的数值研究现有叶轮的气动特性。这项研究表明,尽管现有叶轮是高性能,有一些改进的边缘。特别是叶轮都容易流分离叶片前缘附近和裹尸布附近地区中心转换到叶轮的常见的背面电极系统。随后,一个支离破碎的方法被重新设计工作和中心,裹尸布,承口以及叶轮叶片是重新设计改进风机系统的性能。 A variety of different techniques were utilized in the redesign process: for example, the hub was modified by streamline tracing; the bellmouth/shroud was modified by altering the local curvature near the blade whereas a formal genetic algorithm- (GA-) based optimization procedure was used to redesign the blade profile. Experiential steering was used to alter the optimized two-dimensional blade profile into a three-dimensional swept blade that further enhanced the performance of the impeller.

一个详细的研究也进行了耦合impeller-volute系统。叶轮及其相关的蜗壳之间的交互可以显著改变叶轮的性能。几组报告他们的发现impeller-volute系统的性能。但之前的大多数相关调查文献处理离心叶轮和单个排放泵体。例如,Kaupert和史陶比尔2]记录强叶片载荷波动的叶片通过了蜗壳舌双螺旋蜗壳,特别是在低于设计流量。Hillewaert和Van den Braembussche [3)使用数值预测的三维非定常非粘性的叶轮流动与稳定的蜗壳流交互在偏离设计的离心式压缩机与测量条件,发现合理的协议。李和拜因4]还稳定的CFD计算应用于离心式制冷压缩机叶轮,无叶片的扩散器,和一个放电蜗壳和获得一个好的协议在蜗壳周向压力的测量,尤其是在蜗舌的压力下降。Meakhail和公园(5),爱迪et al。6],Karanth沙玛(7]使用CFD和particle-image-velocity (PIV)测量研究离心风机叶轮与叶片扩压器和单个放电蜗壳,和发现他们的稳定数值模拟能够预测流动特性,特别是流动分离,叶轮和扩压器之间的存在。尽管这三个调查(5- - - - - -7)发现他们的预测结果同意测量,Karanth,沙玛7)显示一个最佳径向间隙的存在(或地区)交互可以提供低交互的损失。

所有这些提到的研究主要是用一个放电蜗壳表明蜗壳反馈叶轮动力学存在,特别是在蜗舌位置。当前DDV进一步复杂化流模式,缩短了压恢复路径相比单一放电蜗壳,并产生双重压力的峰值在两个外围舌头的位置。然而,反馈的意义取决于每个设计配置。没有预定义的知识螺旋叶轮性能反馈,叶轮从过去的努力3- - - - - -5)设计没有考虑到蜗壳的反馈。在我们的示例中,由于我们感兴趣的主要是电梯风扇系统的性能,我们记录了性能退化的hard-constrained蜗壳。我们进行了impeller-volute耦合计算使用冷冻叶轮近似相比,它提供了一种保守的估计性能完全非定常模拟。

最后,一个严格的设计验证研究和精心设计的试验装置进行1/5比例模型。球迷与现有叶轮和风机系统重新设计叶轮进行了测试验证性能的改善。

在下面几节中,我们提供了详细的策略和方法重新设计叶轮使用impeller-only CFD计算。精制CFD计算耦合叶轮、蜗壳和裹尸布的差距,被用来评估设计和量化蜗壳反馈设计过程后叶轮的性能进行了讨论。我们提供的细节模型比例尺风扇测试(8与耦合的CFD)和比较预测在设计和非设计工况条件。我们结束论文的详细总结设计过程和经验教训。

2。叶轮现有叶轮的空气动力学

为了建立一个设计策略在一个限制设计窗口中,现有的两个叶轮B # 1和# 2 B第一次与一个二阶精确的CFD分析方法解决了一个完整的可压缩形式的纳维斯托克斯方程与预处理获得一个有效的数值方案呢9不可压缩流)。流场制定实施紧缩在一个三维非结构化代码。参考文献(9- - - - - -12)提供额外的细节。危机CFD代码使用了一个多元素,cell-vertex-based非结构化四面体的框架,它允许组合,棱镜,六面体的细胞。标准的高雷诺数公式- - - - - -方程形式危机的湍流模型的基础。这些湍流方程,给出补充低雷诺数修正条款,在10]。考虑到计算效率,壁面函数方法是用于当前的计算。

图3描述了叶片(图左)和裹尸布(图)安排14-bladed B黑字# 1叶轮12-bladed B # 2叶轮在灰色。基线蜗壳如图3连接到流中的叶轮突然扩张路径区域。

风机空气动力性能在设计点需要空气温度为26.7°C,一个叶轮轴转速为1692 rpm,轴功率为1276.6千瓦(压水式反应堆_裁判)来产生升力的静态压力7517 Pa (=_裁判)的名义则空气流量57.43 m³/ s。这导致下面的无量纲参数: 在哪里_电梯,()_电梯,,,被定义为提升流量,提高放电静压粉丝,粉丝齿顶圆直径,风扇速度,和空气密度。在设计点,57%的风扇空气流经电梯扩散器保持所需的压力。设计研究的目标是实现减少功率系数所示(3),同时保持lift-flow特征(1)和(2)。

图4展示了大会的承口和叶轮风扇的一半。由于几何对称,CFD的计算只覆盖一个叶片通道网格系统使用,如图5。准确地捕捉叶片表面边界层和加载,叶片上的网格部分的结构和所有其他表面要么是结构化或非结构化如图5。非结构化细胞有助于减少网格的总体规模从而减少周转时间的计算。尽管一个相对较小的裹尸布旋转和不旋转承口之间存在差距,impeller-only设计CFD计算不包括流动的裹尸布差距的影响。

不可压缩流的计算,一个统一的流入条件强加在承口进口维持所需的流量和mass-averaged背压是应用于叶轮出口。周期性边界条件是通过执行边界之间的叶片和叶片无滑动条件使用,裹尸布,背面板和轴表面。虽然入口控制和速度条件下,进气压力预测的模拟自压力属于上游传播特点。因此,压力上升决心从进口和出口压力和之间的差异是一个函数的叶轮设计。

性能相关的参数,轴功率,输出功率,和total-to-total效率,叶轮的流场如下: 在哪里_小鬼,,,叶轮转矩,转速,总压强增加在承口和叶轮和流量。叶轮转矩计算叶片通过整合力量,中心,裹尸布,背面板。解决方案的收敛性是由叶轮计算扭矩的变化和mass-averaged总静压变化在进口和出口处标飞机。

叶轮B # 2是用来调查网格密度的要求。图6显示了ShaftPWR变化百分比计算和设计能力的结构化和非结构化网格细胞的数量从105984到958464个细胞。结果表明,网格密度超过250000细胞为每个叶轮叶片通道是足够的预测与一个错误的0.5%(主要是依赖于网格拓扑结构而不是网格密度)或更少。计算也进行调查使用壁面函数过程的影响。网格控制+ 10至50壁面模型的壁面函数建模和小于1。计算了B B # 1和# 2叶轮约250000单元网格。靠近壁面的预测ShaftPWR通常是低造型,但区别B # 1和# 2叶轮之间使用相同的墙造型几乎是相同的两个模型进行了研究。

图7显示了预测流模式通过叶轮B # 1的表面。流分离发生在两个主要区域。影响性能的临界流分离发生在叶片前缘附近的裹尸布。它也发生在叶片吸力面尖的后缘。图8显示类似的流叶轮B # 2的表面痕迹。# 2 B叶轮也裹尸布分离;然而,吸力面分离就消失了。表1比较了预测能力,叶轮(总)的头,和两个叶轮之间的效率。

每个叶轮的预测ShaftPWR低于目标ShaftPWR(或压水式反应堆_裁判)。尽管B # 2叶轮需要更多的权力在指定的条件下,它产生的头,有一个稍高的效率。由于流动分离发生在每个叶轮同时操作效率高、设计计算必须准确地解释所有气动损失为了预测任何性能差异几个百分点。使用流线曲率或位势流/欧拉代码不会实现目标为当前的设计工作。开发设计过程建立了基于结果的评估现有叶轮因此提供如下。

3所示。叶轮气动设计

3.1。中心和裹尸布/承口的设计

由于流动分离的裹尸布被叶片前缘前的预测两个现有叶轮,叶轮性能的进一步改善需要减少这个裹尸布流分离。裹尸布,因为它的大曲率方法叶片可能部分负责流动分离的裹尸布由于边界层的难度保持连接流协商把附近的裹尸布。在图9(一个),三个承口/裹尸布概要文件并将基于叶片附近的局部曲率和裹尸布的十字路口。这个概要文件与曲率半径0.0263(本地/标签D)对应于B # 2叶轮。另外两个配置文件进行了减少叶片的曲率交点(13]。所有三个配置文件相关联的流场表明,最初的流动分离的裹尸布是改善两个新的配置文件。图9 (c)0.0476演示了改进叶轮的裹尸布比B # 2叶轮如图8。在图所示的性能数据9 (b)表明,裹尸布标签与0.0476提供了最大的收获效率。虽然0.0476裹尸布的需用功率略有增加,这是最终的设计中使用。

CFD的预测结果也为11-bladed B # 2叶轮,构造了基于12-bladed叶轮保持一个常数喉咙区域,也就是说,在位置最大叶片厚度。适应11刀安排的优点是减少ShaftPWR 2.38% 0.0476裹尸布的叶轮与12-bladed叶轮裹尸布相同的曲率。虽然在总压头下降2.14%后者叶轮发生,维护效率。这些结果导致决定选择11-bladed 0.0476裹尸布剖面叶轮配置。此外,这一修改需要刀片设计,以恢复总压头下降。

3.2。2 d叶片轮廓优化

基于遗传程序被用于优化叶轮的叶片。自叶轮# 2的叶片执行比B # 1叶轮如最后一节所示,B # 2叶片形状作为叶片形状的几何开始,所有更改都是通过网络的贝塞尔曲线。遗传算法使用传统的选择、交叉和变异算子,其实现细节提供了(14]。优化设计框架的一个示意图如图10。变量代表了叶片的变形形状通过移动控制点被通过的GA雕塑家进行了修改和网格形状改变的地方。网格被传递到紧缩CFD和改变了设计的性能评估。性能指标的目标函数的形式传回GA在接下来的设计迭代。

定义的叶片形状复杂网络控制点形成任意形状变形(ASD)网格(图11(一))利用雕塑家工具生成的。的叶片形状是由10个设计变量参数化5控制点(5设计变量在压力面和5设计变量在吸入端数据所示11(b)和11(c))。控制点的分组是实现目的的方向,确保2 d图形的完整性是维持。GRIDGEN用于生成最初的CFD网格原始叶片形状和随后的网格自动生成形状变形网格内传播。变形进行二维机翼形状和保持沿着顺翼展方向的方向。此外变形传递到网格点的CFD网格在雕塑家新变形的叶片形状。

设计要求呼吁提高升力风扇的效率,同时满足设计标准集的输出流体动力由叶轮。一般来说,优化设计可以为这样的问题进行执行或通过使用约束多目标优化限制轴功率和输出功率最大化。我们利用一个数学函数的组合目标效率(95%)和目标能力需求作为目标函数。紧缩CFD计算流参数提出了(4)- (6)。遗传算法的目的是测量目标的距离ShaftPWR和输出功率,也就是说, 对于这种情况,有针对性的ShaftPWR和输出功率在581年和552年kWs,分别。目标函数是比较叶轮B # 1的603.3和558.5 kWs性能数据,如前所述的叶轮效率92.6%。优化计算是这个目标函数最小化。由于时间限制在设计阶段,共有48个设计分析了在设计迭代。在图12,叶轮产生的总压头和效率与每个叶片设计在6代计算绘制在黑钻石象征与轴功率。叶轮的头几乎是线性轴功率的关系。# 1 B叶轮的轴功率值和设计功率阈值的4.7%,减少10%的目标也标记在每一个情节。选中的2 d叶片形状,环绕在坚实的黑色圆图12有一个绘制在图峰值附近的健身价值13和最高的效率图12在所有GA设计。健身在图13是一个逆测量的定义目标函数所示(7)。最后的2 d设计遗传算法的设计迭代如图14。midchord附近叶片加载的增加导致流加速度特别是在裹尸布原叶片附近容易大面积的流动分离。这种刀刃形状1.459生成的总负责人_裁判以93.68%的效率,需要0.926压水式反应堆的轴功率_裁判。一些小的修改了2 d叶片通过转向过程紧随其后的是一个3 d的建设叶片通过全面的2 d部分。指导过程和三维叶片建设将在以下部分中讨论。这些后来的预测结果修改也绘制在图12和13“Non-GA”点。最后的3 d改性后,健身和效率进一步提高的2 d叶片设计的遗传算法。“Non-GA”点在图的峰值13不选择是因为设计的攻击性将在下一节中描述。

3.3。转向叶片形状的

2 d叶片截面设计在前一节中描述了相对保守的方式将一个“未知”从下游蜗壳耦合效应。此外,设计阶段的周期是有限的。为了进一步提高增益降低轴功率,后缘修改调整。由于叶片后缘是放置在最大速度的整个风机流场,修改后缘形状可以戏剧性的效果。图15演示了两个转向配置文件,引导blade-1和引导叶片,轻微的变化后缘概要文件(即。,减少叶片后缘角)从2 d设计叶片。计算轴功率、总压头和效率0.870压水式反应堆_裁判,1.376_裁判引导blade-1, 93.87%;0.896压水式反应堆_裁判,1.414_裁判引导叶片,93.8%。两个引导叶片的叶轮效率和2 d设计叶片几乎是相同的。尽管所需的引导blade-1降低轴功率,它不幸的是交付更头和输出功率。引导blade-1被认为是过于激进的会议需求;因此,更为保守的引导叶片被选作进一步调查。

3.4。三维叶片设计

现有叶轮的叶片主要是2 d叶片,也就是说,在中心领导和后缘和裹尸布开始在同一半径。叶片设计作为一个2 d叶片减少制造成本。席卷叶片有一些优势:(i)附近的一个刀片从较低的半径裹尸布可以防止边界层分离通过加速流之前,实际上,和(2)发病率的变化在前缘归因于扫描可以降低损失,提高效率。基于这一概念,# 2 B 11-bladed叶轮叶片在前缘及其向内扩展径向角测量的裹尸布被修改从0度为2 d叶片像B # 1叶片10度。产生的新的3 d叶片高水头1.548_裁判和1.471_裁判更高的效率分别为95.08%和93.66%的高轴功率0.968压水式反应堆_裁判和0.936压水式反应堆_裁判。这个过程从本质上提高了叶片的效率。当相同的程序应用于引导叶片如图15从93.8,效率提高到95.55%,从1.414增加_裁判到1.459_裁判轴功率也增加从0.896压水式反应堆_裁判0.909压水式反应堆_裁判。从现在开始,当这个3 d版本的引导与叶轮叶片集成,它被称为新的设计叶轮。

3.5。叶轮宽度控制

叶轮宽度定义在图9背面板之间的距离和裹尸布。它代表了叶片后缘跨度与裹尸布在叶片后缘终止。考虑到叶轮直径和流量,该参数控制最大的可实现的流速。现有叶轮宽度为两个图所示2分别是0.1207和0.1350 D。

新叶轮的宽度是由从B # 2叶轮宽度。图16显示生成的影响总压强和效率,改变叶轮宽度11-bladed B # 2 # 2 - 11 (B)叶轮和叶轮。也显示在图16性能数据从B # 1和# 2叶轮。来源于B # 2叶栅,近线性预测轴功率的性能被发现(见[13])和总负责人。与上面提到的其他参数不同,效率似乎是独立的宽度变化。通过调整叶轮宽度、叶轮总压强可以控制在不牺牲性能。换句话说,新叶轮产生更少的总压头的宽度B # 1叶轮;然而,随着宽度的增加,新叶轮能够产生的总压头B # 1叶轮。相反,固定叶轮宽度,改变叶片几何可以发挥重要作用在降低轴功率和提高叶轮效率。

类似改善压缩机性能通过增加蜗壳进口宽度报道了金正日et al。15]。应该注意的是,蜗壳进口宽度是一样的叶轮宽度在他们的研究。注意,当前蜗壳入口突然扩张(如图3从叶轮出口与金正日的蜗壳它有一个光滑蜗壳与叶轮之间的联系。前扩散流体中心开始分离叶轮宽度增加时,金等。15]也记录增加头部和轻微的效率增加。

通过整合所有上述研究结果,其中包括中心的影响和承口/裹尸布设计,二维叶片轮廓优化、叶片形状的转向,3 d了叶片设计,和叶轮宽度控制,组装叶轮如图17与11个3 d叶片。为新叶轮宽度被选为0.1213 D。

4所示。风机性能的预测

4.1。风机流场的计算方法

为了评估风扇的性能,有必要包括蜗壳与叶轮。由于蜗壳外壳配置结构约束,所有球迷保持不变,蜗壳流场及其反馈修改叶轮叶轮出口条件的变化和volute-side的承口和裹尸布的形状。

叶轮流场不稳定,周期由于每个叶片之间的相互作用和非对称螺旋套管(图2),尤其是在两个舌头的位置。这种时变流场可以近似定或稳定的流场与一个固定的叶轮和蜗壳的几何关系。这种简化称为冷冻叶轮的方法。它计算整个(包括所有叶片)叶轮在旋转框架稳定的流场和流场信息转换为一个固定的框架在叶轮出口附近的一个接口到下游蜗壳。界面的稳定不旋转螺旋流计算蜗壳出口。之间的界面作为信息交换的条件获得的叶轮和蜗壳和作为解决方案的一部分。的过程是通过融合等关键量的总压力在叶轮进口和质量流率,接口和蜗壳出口。

impeller-flow计算,边界条件用于CFD设计计算都是维护除了消除周期性边界条件和控制出口背压通过信息交换的接口。volute-flow计算,mass-averaged排放规定的两个出口压力保持(a)电梯所需的流动方面,(b)叶轮背面板的扩展表面建模作为一个对称面,(c)裹尸布作为旋转墙,(d)和所有其他套管表面无滑动墙。

风扇性能参数进行评估不同于叶轮的设计计算。轴功率的计算使用(4),而_小鬼是通过整合扭矩的叶轮叶片。风机输出功率和total-to-total效率使用以下公式计算: 有两个其他参数则相关性能。他们则总和静态效率,计算如下:

网格拓扑用于叶轮设计计算如图5是维护。根据的数量为每个风扇叶片设计,总叶轮网格大约是3到400万个细胞。相应的蜗壳为每个粉丝都有大约150万个细胞。基线的聚合蜗壳解决方案B # 1叶轮首次通过调整两个出口的压力达到设计流量。类似的出口压力申请其他叶轮获得电梯流量计算表所示2和3。

4.2。叶轮/蜗壳耦合的解决方案

表2显示了性能数据从叶轮/蜗壳耦合计算所有获得粉丝。改编自设计CFD网格拓扑用于叶轮,叶轮电网结束在一个固定半径耦合计算除了新的叶轮,结束在一个略小的半径。为了比较性能与网格特性对所有球迷,新的x网格生成的新叶轮径向延伸的裹尸布。由于叶轮宽度叶轮的性能起着至关重要的作用,更广泛的宽度叶轮为比较和生成是贴上NEW-w叶轮。

此外,风扇total-to-total效率计算表2使用(8)和(9)。则静态和总压力,连同他们的效率也列表。蜗壳损失(列“损失”)在电梯旁边被减去估计则从叶轮的头(del_总压强P_t)。

有趣的是,B # 2叶轮现在需要更少的轴功率比B # 1叶轮(0.8%)。新叶轮降低轴功率5.76%的基线。蜗壳与叶轮耦合时,叶轮效率为新叶轮叶轮设计预测的95.5%下降到89%。类似的减少预测的B # 1和# 2叶轮,即从93%降至88%。总共下降五到六个百分点的叶轮与蜗壳反馈被认为是效率。蜗壳的损失包括时,总风机效率进一步降低到76.9%和78.3%之间为所有球迷除了B # 2叶轮也下降到74%。蜗壳的显著减少损失为新叶轮表明新叶轮出口处流匹配更好地与下游蜗壳流比现有的叶轮。总之,新叶轮风机效率提高1.2,减少5.8%。

虽然计算静态压力都高于所需则排放压力(),空气静态压力在电梯边新和B # 2叶轮都低于B # 1叶轮。目前的预测所示,新的叶轮能满足电梯压力和功率降低的要求如果现有B # 1叶轮是制服的设计条件。

4.3。叶轮/蜗壳与裹尸布缺口效应耦合的解决方案

裹尸布固定承口之间的差距和旋转裹尸布图所示18B # 1叶轮。使用这种精致的几何,冷冻叶轮的计算不仅包括狭窄的差距,但也裹尸布厚度和其最终形状。差距的大小为# 1,# 2,和新的叶轮是0.08%,0.15%,和0.08%的叶轮直径,分别。裹尸布缺口流占0.52%,0.92%,和0.58%的流入三个叶轮在设计条件。表3提供性能数据三个叶轮在设计条件。文献[16)提供进一步的细节叶轮上的差距空气动力学的影响。

表之间的数据进行比较2和3的差距影响B # 1叶轮反向影响性能相比其他两个叶轮。# 2 B和新叶轮风机效率下降约0.5%由于gap-affected叶轮出口流动(17)到蜗壳导致叶轮叶片后缘流循环,如图19。相比之下,裹尸布缺口流改善叶轮和B # 1叶轮风扇效率。这可能是由于不稳定gap-flow解决方案使用当前稳定的计算方法。计算包括蜗壳的作用进一步复杂化的差距影响风机的整体性能。表格数据表中提供3B # 2和新叶轮也表明了轴力降低6.0%和8.7%,分别比B # 1叶轮。

5。设计验证通过模型风扇测试

测试数据收集的所有三个粉丝1/5-scale风扇试验台如图20.。性能测试设置了使用美国国家标准协会(ANSI) /空气运动和控制协会(AMCA)标准8作为一个参考。对雷诺数模型(重新)类似于全面价值,模型试验将理想的运行速度比全面的1692 rpm。再保险的建议后Phelan et al。18),基于和应该在1.0×10⁶backward-swept离心风扇和2.0×10⁶airfoil-bladed离心风机达到重新独立政权。当前测量仅限于5212 rpm的最大叶轮速度。对于这种情况,在这个模型操作条件。测量则静压系数与则流量系数是绘制在图21三个叶轮。测量压力的不确定性估计在0.25% (8在设计条件)。对比如图21包括最初的设计要求压力上升,模型试验数据和CFD全面的预测(FS)和模型比例尺(MS)的粉丝。后者计算的球迷进行了使用数量,女士女士这是FS Re数的12%左右。存在一个突然的压降在所有三个粉丝在球迷进入失速条件。B # 1叶轮,突然附近存在压力上升的设计条件。这个上升的压力不发生其他两种叶轮。这种现象可能是由于风扇测试条件是接近流过渡区,分离和重新流交换影响突然压力上升和下降。

CFD预测图所示21FS和球迷显然女士演示效果,这是大的B # 1和# 2叶轮比新叶轮。CFD结果还包括使用非计算的流量预测。CFD预测女士同意与模型试验数据对B # 1和新叶轮,尤其是新叶轮的兴衰。B的CFD低估了电梯压力# 2叶轮可能造成的偏差几何用于计算和实验。图22提供了减少各种风机性能参数的比较从女士之间的差异和FS风扇计算三个叶轮。新叶轮的性能变化在几乎所有的参数预测,尤其是对蜗壳损失指出。

与实测数据对比设计要求,这是明显的从图21这两个叶轮B # 1和# 2生成more-than-required蜗壳则放电时的压力。这个验证在前一节中获得的结论,证实了进一步降低功耗的可行性。具体来说,则测量压力的# 1,# 2,和新的叶轮是13.8%,9.6%和3.7%高于所需的压力(见(2分别在设计条件)。同样,测量功率减少三个叶轮在设计条件是5.7%,7.8%和14.0%低于所需的力量所示(3),分别。换句话说,# 2 B和新叶轮的轴功率降低2.2%和8.8%,分别与B相比# 1叶轮。新叶轮取得两倍的功率降低基线B # 1叶轮并同意与CFD预测最后一节所示。

6。摘要和结论

双进口,双幅叶轮被修改,以适应一个基线双排量离心风机蜗壳。目标是减少能耗,同时保持指定的输出压力则蜗壳出口。设计修改完成了脱钩叶轮与蜗壳。使用开发设计策略,确定了以下结果。(我)impeller-only计算基线B # 1叶轮和引用B # 2叶轮表明现有叶轮的总效率高(92%以上)。这表明,传统的设计方法,如流线曲率或非粘性的计算方法将在解决任何空气动力不足改进现有的叶轮。此外,计算方法占所有的气动损失是必需的。(2)流将区域从轴向径向叶片前缘前需要充分旨在避免裹尸布流分离。叶片尖端扩展并扫描到裹尸布将区域防止空气分离的裹尸布表面,提高了叶轮的效率。这使得14-bladed基线B # 1叶轮作为11-bladed重新设计新的叶轮。(3)2 d叶片轮廓优化,基于CFD数值之间的耦合计算和遗传算法优化方案,能够实现复合目标投影轴功率和输出功率。优化提高叶轮效率从92.6%降至93.7%。(iv)叶片后缘形状控制(或叶片转向)有效地修改叶轮出口流动,减少权力(从0.945到0.896压水式反应堆_裁判或减少31.3千瓦),同时保持效率。(v)叶轮的宽度几乎是线性相关的叶轮产生的总压头。然而,叶轮效率仍然几乎不变,而宽度变化。

CFD计算风扇性能进行评价使用冷冻叶轮方法计算稳定流动在整个叶轮和蜗壳。CFD预测和测量验证。比较的结论如下。(我)蜗壳反馈叶轮减少叶轮效率五到六个百分点从原来的93 - 95%的范围。风机效率进一步降低到74 - 78%范围包括蜗壳损失。匹配的蜗壳设计起着重要的作用在决定风机效率,即提高了1.2%为新基线风扇风扇。(2)承口和裹尸布裹尸布差距有不到1%的流入从蜗壳与叶轮为当前粉丝。它也降低了风机效率0.5%。虽然流减轻裹尸布流分离的差距,它影响叶片后缘流,特别是在蜗舌位置。(3)的测试数据,则压力上升为现有的和新的叶轮同意与雷诺数的CFD的预测基于模型。CFD的预测表明,雷诺数效应之间存在模型和全面的粉丝。这对现有叶轮雷诺数效应更大而新叶轮。(iv)CFD预测之间的比较和测量确认现有风机在设计制服,使一个新的叶轮设计能力要求较低。测量功率降低新叶轮是8.8%低于基线。这减少权力同意减少8.7%从CFD获得预测。

信息披露

这种材料是宣布美国政府和工作在美国不受版权保护。批准公开发布;分布是无限的。

缩写

自闭症谱系障碍:	任意形状变形
危机:	在目前的研究中使用CFD代码
D:	叶轮直径1.6米
DDV:	双排螺旋
:	距离参数用于定义优化目标函数所示(7)
DWDI:	双进风口,双进口风机类型
FS:	全面
风扇_压水式反应堆出:	风机输出功率中定义(8)
遗传算法:	遗传算法
Imp_PWR出:	叶轮中定义的输出功率(5)
k:	湍流动能
B # 1, # 2:	基线和参考叶轮
女士:	模型规模
新:	新叶轮
P:	压力
:	参考压力,7517 Pa
问:	流量
再保险:	雷诺数
ShaftPWR:	轴功率
压水式反应堆裁判:	参考功率638.3千瓦
t:	时间
T:	叶轮转矩
U:	风扇叶尖速度(141.77米/ s@design条件)
Uo:	入口速度
u, v, w:	流体速度分量
x, y, z:	笛卡儿坐标系统
ε:	湍流耗散
η:	总效率
ρ:	空气密度
ω:	叶轮转速。

下标

推进器:	推进器的粉丝
小鬼:	叶轮
电梯:	升力风扇
:	输出
年代:	静压
t:	总压强。

确认

本文是由美国海军研究办公室,代码331的升力风扇工作的一部分Seabase-to-Shore FNC程序。ONR项目经理Ki-Han金博士。本文制备的应用研究项目的支持下海军研究办公室管理的海军水面作战中心,在IAR Carderock部门计划。的计算资源的将是海军海洋图像办公室主要共享资源中心(NAVOCEANO MSRC)是通过国防部提供高性能计算现代化项目(HPCMP)。

引用

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