小型轴流式风机通流部件优化设计研究

发布时间：2017-08-08 15:22

  本文关键词：小型轴流式风机通流部件优化设计研究

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【摘要】：科学技术的快速发展,拓展了轴流式风机的应用领域,但其所面对的问题更加多元化,对其性能的要求更高。由于风机的工作转速较高,内部流动复杂,设计上的缺陷容易导致风机的效率低下和噪声偏高,研究其内部通流部件的优化设计有助于改善风机的性能。本文通过建立风机的多目标优化数学模型,获得叶轮和后导流器等通流部件的基本设计参数,在此基础上研究了后导流器叶型参数变化对风机性能的影响,得到后导流器较优的叶型参数,实现了动静叶轮参数的良好匹配,有效提高了风机的全压效率,降低了功率和噪声。本文的主要研究内容和成果如下。根据风机各部分的损失,建立以风机的全压效率和声压级为分目标函数的优化模型,确定适合设计变量及其它参数的约束条件,应用ISIGHT的多岛遗传算法,联合Matlab优化计算目标函数,优化后风机的理论性能得到改善,理论计算表明气动损失主要是由叶轮和后导流器引起的。根据优化后的基本设计参数,运用SolidWorks软件对后导流器进行初始设计,完成叶轮等部件的几何建模。研究轴向间隙对风机性能的影响并确定合理的取值,从叶片弦长、叶根安装角、叶片扭转角等方面设计后导流器翼型叶片,通过CFD分析得到优化拉丁方试验设计下的后流器叶型最佳参数组合。对比初始设计的后导流器,使用新设计的后导流器,改善了风机的性能,证明后导流器翼型叶片的设计是有效的。相对于原风机,新设计风机的全压效率提高了14%,轴功率降低了12W。风机内部流场特性的分析表明流动性良好,进一步证明了风机的优化设计是正确的。基于FLUENT的噪声模型预测了风机的声功率与声压级。原风机的模拟结果十分接近试验结果,证明噪声仿真方法是正确的。声功率的分析结果表明叶轮、静导叶前缘区域及旋转区域处的机壳是主要的噪声来源。在设计转速18480rpm下新设计风机的最大噪声值为84.3dB,在原转速18901rpm下的最大噪声值为85.8 dB,均低于原设计风机的噪声,证明各通流部件的设计有利于降低风机噪声。在ANSYS Workbench平台上基于单向流固耦合研究了风机叶轮的强度和动态特性。不同工况下的分析结果表明叶轮的结构应力和变形均小于许用值,其强度和刚度满足工作要求；在许用应力的范围内最高工作转速不应超过21480rpm。通过建立叶轮Campbell图分析了叶轮动态特性,在设计转速下叶轮运行稳定。
【关键词】：轴流式风机 优化设计 数值模拟 气动噪声 流固耦合
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH432.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 国内外研究现状8-12
• 1.2.1 轴流式风机优化设计研究8-10
• 1.2.2 轴流式风机流场和噪声数值模拟研究10-12
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线12-14
• 1.3.1 本文主要研究内容12-13
• 1.3.2 技术路线13-14
• 第二章 轴流式风机通流部件主要参数优化14-34
• 2.1 轴流式风机基本设计理论14-17
• 2.1.1 轴流式风机一般结构14-15
• 2.1.2 翼型与叶栅主要参数15-16
• 2.1.3 叶片等环量设计方法16-17
• 2.2 轴流式风机主要性能参数17
• 2.3 轴流式风机多目标优化的数学模型17-22
• 2.3.1 全压效率分目标函数18-21
• 2.3.2 气动噪声分目标函数21-22
• 2.4 轴流式风机优化设计实例22-30
• 2.4.1 ISIGHT优化软件介绍23-24
• 2.4.2 多岛遗传算法24-25
• 2.4.3 约束条件分析与确定25-26
• 2.4.4 优化参数设置26-28
• 2.4.5 优化计算与结果分析28-30
• 2.5 通流部件几何建模30-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 后导流器翼型叶片设计与风机流场特性分析34-57
• 3.1 计算流体力学基本理论34-37
• 3.1.1 流体与流动基本概念34-36
• 3.1.2 流体动力学基本方程36-37
• 3.2 CFD数值模拟37-45
• 3.2.1 CFD数值解法37-39
• 3.2.2 FLUENT软件简介39-40
• 3.2.3 建立计算域与划分网格40-42
• 3.2.4 设定边界条件与求解参数42-43
• 3.2.5 湍流模型的确定43-45
• 3.3 后导流器结构参数变化对风机性能影响45-50
• 3.3.1 轴向间隙对风机性能影响46-47
• 3.3.2 叶片弦长对风机性能影响47-48
• 3.3.3 叶根安装角对风机性能影响48-49
• 3.3.4 叶片扭转角对风机性能影响49-50
• 3.4 采用试验设计的后导流器叶型参数设计50-53
• 3.4.1 试验设计概述50-51
• 3.4.2 试验设计方法简介51-52
• 3.4.3 建立试验数据52-53
• 3.4.4 试验数据计算与结果分析53
• 3.5 风机内部流场特性分析53-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 轴流式风机气动噪声模拟预测57-65
• 4.1 轴流式风机噪声产生的原因57-58
• 4.2 基于FLUENT的噪声预测模型58-60
• 4.2.1 FW-H噪声模型58-59
• 4.2.2 Proudman宽频噪声模型59-60
• 4.3 气动噪声数值模拟方法60-61
• 4.4 噪声计算结果与分析61-64
• 4.4.1 风机噪声源分析61-62
• 4.4.2 风机声压级计算结果62-64
• 4.5 本章小结64-65
• 第五章 基于流固耦合的叶轮有限元分析65-77
• 5.1 流固耦合基本理论65-66
• 5.1.1 流固耦合求解方法65
• 5.1.2 流固祸合求解流程65-66
• 5.2 基于流固耦合的叶轮强度分析66-72
• 5.2.1 建立流固耦合模型66-67
• 5.2.2 约束条件与载荷分析67-68
• 5.2.3 计算结果与分析68-72
• 5.3 基于流固耦合的叶轮振动分析72-75
• 5.3.1 叶轮模态分析概述72-73
• 5.3.2 计算结果与分析73-75
• 5.4 本章小结75-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 全文总结77
• 6.2 研究展望77-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-82

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本文编号：640674