【摘要】：随着国际能源形势的加剧,绿色、文明、可持续的发展理念越来越深入人心,高效节能设备的设计研发受到广泛关注。在污水处理行业中,鼓风曝气系统的耗电量庞大,约占全部耗电量的30%~50%。曝气风机作为系统的核心,在水处理行业前景广阔,通过改善风机性能节约的电量将会非常可观,符合节能减排的发展趋势。本课题以某离心式曝气风机为研究对象,以高效节能为出发点,运用全三元流仿真计算手段,借助透平机械专业软件Concepts NREC和NUMECA,对风机各部件展开气动设计与优化分析。首先,曝气风机的优化设计从叶轮入手,通过改变叶顶间隙尺寸以及分流叶片长度来优化叶轮。调整叶轮进出口的间隙尺寸,使其在0.2-0.6mm范围内变化,利用FINE/Turbo对不同间隙的叶轮模型求解。对比分析叶顶间隙变化时的叶轮性能,发现增大叶顶间隙时,泄露损失随之增大。综合考虑气动性能和叶轮形变量,选择0.3mm等宽度间隙尺寸作为叶顶间隙设计方案。对于分流叶片,控制其前缘线的轴向位置,从而改变叶片长度。在叶轮的子午流道内存在均匀分布的QO线,使分流叶片前缘在第5—10条QO线范围内变化。对比气动计算结果发现,小叶片前缘位于第8条QO线时叶轮性能最优,而且有效地降低了叶片载荷。经过对叶顶间隙和分流叶片的优化,叶轮等熵效率为90.56%。接下来,根据几何与气动参数对静子部件—叶片扩压器进行设计。扩压器叶片选择抛物线形中弧线,叠加NACA65翼型的厚度分布,通过CREO三维造型并利用FINE/Turbo在级环境下进行数值求解。由于初始扩压器模型的叶背处存在严重的分离涡,在初始模型的基础上改变叶型弯曲角,涡团得到消除,级效率提高2%。在不改变叶栅稠度的前提下,增大叶型弯曲角可以延长叶道对流体的作用长度,是提升级性能的有效手段。另外,讨论了叶片厚度对级性能的影响。改变?c得到不同叶片厚度的扩压器,对比分析后发现,当?c取值为0.07时的级性能优于其他厚度的扩压器,此时等熵效率为87.67%,总压比为1.848。最后,建立非对称圆形蜗壳模型,并将其与叶轮和扩压器进行非匹配连接,在整机环境下进行CFD计算。结算结果显示,设计工况点下风机效率为84.42%,总压比1.807,高于要求值1.78。高速直驱曝气风机的气动设计能够满足要求。纵观离心式曝气风机的气动设计过程,经过叶轮、扩压器以及蜗壳三部分的优化,提高了风机效率和压比,对今后压气机的气动设计具有参考和指导意义。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315
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