離心法凈化工業(yè)油霧中葉輪的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

戎娜，李志峰

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

[摘要]葉輪是離心設(shè)備中重要的組成部件，提高葉輪的工作效率是工業(yè)油霧凈化的一個(gè)重要目標(biāo)。為了改善工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)離心葉輪的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行研究，對(duì)葉輪葉片翼型截面形狀的設(shè)計(jì)與性能進(jìn)行分析。利用CATIA軟件建立葉輪的結(jié)構(gòu)幾何模型，由MATLAB計(jì)算得到葉輪葉片截面形狀。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)離心葉輪的優(yōu)化有效減輕了葉輪葉片工作時(shí)的噪音，提高了使用壽命，使升阻比提高了0.8%，凈化效率進(jìn)一步提升。

[關(guān)鍵詞]離心葉輪；葉片；形狀；優(yōu)化設(shè)計(jì)

[文章編號(hào)]1673-2944(2015)04-0001-04

[中圖分類號(hào)]TK83

收稿日期：2014-12-09

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2012HBSZS024-3)

作者簡(jiǎn)介：戎娜(1988—)女，山東省禹城市人，陜西理工學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備的設(shè)計(jì)與制造；[通信作者]李志峰(1963—)，男，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

制造業(yè)的迅速發(fā)展給人類帶來(lái)財(cái)富，但同時(shí)又帶來(lái)了一定的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，尤其在現(xiàn)有精密加工生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量油霧和有毒有害氣體，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及環(huán)境造成極大影響。此問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)和研究人員的高度重視。離心法[1]是國(guó)內(nèi)外普遍使用的方法，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，進(jìn)氣量大，分離速度快，對(duì)于大顆粒的油霧分離效果很好，但是對(duì)于小顆粒的油霧分離及有較多油煙狀況時(shí)，處理效果較差。因此，本文對(duì)離心葉輪葉片的形狀進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到更好的凈化效果。

國(guó)內(nèi)外有很多技術(shù)人員及研究學(xué)者從不同方面對(duì)離心葉輪葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。例如Varola等[2]通過(guò)調(diào)整葉片周圍的可轉(zhuǎn)向風(fēng)板的距離和傾角，使葉片的轉(zhuǎn)速在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上比原來(lái)增加32%，進(jìn)而使風(fēng)機(jī)的輸出功率得以提高。Jureczko等[3]使用合適的復(fù)合材料和制造技術(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整葉片的形狀，改變?nèi)~片的剛度、穩(wěn)定性和固有頻率，使在達(dá)到指定的大氣壓條件下得到盡可能高的輸出功率。陳進(jìn)等[4]基于動(dòng)量葉素理論，推導(dǎo)并給出新的風(fēng)機(jī)軸向因子和周向因子的數(shù)學(xué)模型，以葉片的外部形狀(旋長(zhǎng)、扭角、相對(duì)厚度)為變量進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片的數(shù)學(xué)模型。趙知辛等[5]利用有限元方法對(duì)葉輪在不同氣動(dòng)載荷下的轉(zhuǎn)矩和功率特性進(jìn)行了研究，為葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)與加工提供了參考，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1離心葉輪的工作原理及設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1離心葉輪的工作原理

離心葉輪是離心風(fēng)機(jī)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵件。葉輪安裝在圓形殼體內(nèi)主軸上端軸頭上，由高速電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)。油霧由葉輪上部分進(jìn)入輪軸，然后將油霧均勻分配到葉輪的各個(gè)發(fā)射流道，達(dá)到一定速度后油霧被拋射出去，使煙霧中的細(xì)小液滴碰撞并被吸附到內(nèi)壁的金屬過(guò)濾網(wǎng)上，逐漸形成大的油滴，流回到集油槽繼續(xù)使用。凈化后的氣體經(jīng)過(guò)頂部的過(guò)濾設(shè)備排出。

1.2離心葉輪的三維實(shí)體建模

離心葉輪模型是由復(fù)雜的葉片和輪轂組成，所以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)體建模方法建立三維模型很不容易。葉片的形狀、大小與螺旋表面需要由一系列點(diǎn)確定，實(shí)體建模是實(shí)現(xiàn)離心葉輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[6]。

風(fēng)機(jī)的葉輪、機(jī)殼直接固定在電動(dòng)機(jī)軸和法蘭盤上，電動(dòng)機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)。為了工業(yè)油霧在葉輪中充分混合，選擇葉輪直徑1 000 mm,外殼的直徑為1 900 mm，節(jié)距比為1.2，面積比為0.7，葉片數(shù)為4，經(jīng)計(jì)算，葉輪的靜壓為245.5 kPa，輸入功率為4 000 kW，效率為80%，能夠滿足葉輪的設(shè)計(jì)性能要求。用CATIA軟件建模，葉輪輪轂上創(chuàng)建葉片的螺旋線。以螺旋線為參考線，用凸臺(tái)命令引導(dǎo)形成葉片。最后使用陣列命令得到葉輪的實(shí)體模型，如圖1所示。

2離心葉輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1葉輪葉片的幾何特點(diǎn)

圖1　葉輪實(shí)體模型

葉輪一般是由葉片、輪轂組成，葉片與輪轂連接部分為葉片根部，葉片的另一端為葉尖，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，前面的葉片叫前緣，相反的，另一邊是后緣。葉片表面在中間的母線定義為葉片的參考線，從葉片根部到底部翼型厚度最大的線叫最大厚度線。為了能夠更清楚地了解葉片的幾何形狀[7]，其具體結(jié)構(gòu)和形狀如圖2所示。

葉輪的結(jié)構(gòu)由翼型和螺旋組成。翼型截面沿螺旋線旋轉(zhuǎn)，然后形成葉輪的葉片，翼型厚度從葉片根部到葉尖逐漸變薄，葉輪的形成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　葉片的幾何結(jié)構(gòu)示意圖

2.2翼型幾何形狀和參數(shù)化分析

圖3　葉輪結(jié)構(gòu)的形成

葉片的最佳形狀決定油霧流動(dòng)過(guò)程的壓力分布和性能，是離心法凈化效果的關(guān)鍵，所以葉片形狀的設(shè)計(jì)過(guò)程十分重要，它不僅關(guān)系到數(shù)學(xué)建模計(jì)算的效率高低，而且影響了葉片綜合性能的優(yōu)劣。為了得到性能更優(yōu)良的翼型，本文經(jīng)過(guò)多次調(diào)整葉片的形狀，計(jì)算并分析具有高性能形狀的過(guò)程，通過(guò)對(duì)儒科夫斯基翼型函數(shù)的簡(jiǎn)化，得到用中弧線-厚度函數(shù)表示圖1翼型型線的解析表達(dá)式，對(duì)儒科夫斯基翼型型線的形狀函數(shù)中的相關(guān)系數(shù)和指數(shù)進(jìn)行重新取值和設(shè)計(jì)變量，通過(guò)重新組合的方法可構(gòu)造出更復(fù)雜翼型的形狀，構(gòu)造出具有光滑尾緣形狀的葉片。

儒科夫斯基翼型型線的形狀函數(shù)[8]為：

(1)

式中z為型線相對(duì)于弦長(zhǎng)的縱坐標(biāo)，y為翼型型線相對(duì)于弦長(zhǎng)的橫坐標(biāo)(橫軸與弦長(zhǎng)方向一致)，p、a、b、q、c和d均為大于0的常數(shù)。

式(1)前一項(xiàng)為葉片的中弧線項(xiàng)，后一項(xiàng)表示葉片的厚度(取“+”號(hào)時(shí)表示上型線，取“-”號(hào)時(shí)表示下型線)。式中通過(guò)改變前一項(xiàng)3個(gè)參數(shù)調(diào)整中弧線的形狀：系數(shù)p改變整體中弧線的高低，指數(shù)a改變前端中弧線的高低，指數(shù)b調(diào)整后端中弧線的高低。該式通過(guò)后一項(xiàng)3個(gè)參數(shù)調(diào)整厚度的變化：系數(shù)q改變整體厚度，指數(shù)c調(diào)整前端厚度，指數(shù)d改變后端厚度。這6個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)使葉片的形狀發(fā)生變化，即葉片型線的形狀取決于中弧線走勢(shì)和厚度的變化。

光滑尾緣的翼型型線函數(shù)可表示為：

(2)

其中0

雖然利用儒科夫斯基翼型型線的形狀函數(shù)得到的翼型和實(shí)際翼型差不多，但從嚴(yán)格的坐標(biāo)關(guān)系上來(lái)講與實(shí)際翼型不是一一對(duì)應(yīng)的，因此又提出一個(gè)簡(jiǎn)單高階多項(xiàng)式的翼型形狀函數(shù)方程式：

式中ck為多項(xiàng)式的系數(shù)，ρ(θ)是擬圓的矢徑，θ為幅角。通過(guò)選取不同的ρ(θ)，就可以產(chǎn)生不同形狀的葉片。通過(guò)選取不同的ck，就可以表達(dá)任意輪廓的翼型，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)k=3時(shí)能滿足所需的翼型形狀。

優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：噪音水平；

形狀約束：優(yōu)化后翼型的厚度要大于或等于優(yōu)化前的翼型厚度；

性能約束：優(yōu)化后翼型升阻比系數(shù)/優(yōu)化前翼型升阻比系數(shù)≥0.985。

葉片剖面形狀比較如圖4所示，從圖中可以看出，設(shè)計(jì)中主要修正了葉片上型線，對(duì)下型線修正微小，優(yōu)化后葉片的厚度有所增加，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)要求的形狀約束[11]。針對(duì)不同的入流攻角，從0°~20°分別計(jì)算該翼剖面在雷諾數(shù)3×106條件下的工作壽命。圖5中的曲線顯示，在攻角合理范圍內(nèi)，翼型壽命隨攻角的增大而增大，從而可知翼型剖面在工作攻角范圍內(nèi)具有良好的機(jī)械性能和力學(xué)性能。

圖4　葉片剖面形狀比較　　　　　　　　　　圖5　葉片壽命系數(shù)變化

翼型的升阻比大小直接影響葉輪的功率利用系數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)定為最大升阻比，目標(biāo)函數(shù)為：

離心風(fēng)機(jī)噪聲主要包括邊界層噪聲和葉片自身噪聲兩類[11]，自身噪聲與流場(chǎng)邊界層相關(guān)，隨著攻角的增加，邊界層不穩(wěn)定氣流加劇，達(dá)到一定條件時(shí)會(huì)偏離邊界層，從而產(chǎn)生噪聲，本測(cè)試依據(jù)主觀反映人耳對(duì)噪聲感覺(jué)的聲壓級(jí)來(lái)判斷噪聲水平。圖7為葉片噪聲水平比較圖，可以看出，在攻角0°以上，優(yōu)化后葉片噪音比優(yōu)化前有較為明顯的降低。

圖6　升阻比變化比較　　　　　　　　　　　圖7　葉片噪音變化比較

對(duì)優(yōu)化的葉輪和原有的葉輪進(jìn)行了優(yōu)化比較，可以看出總體性能都有所提高，優(yōu)化后翼型的升阻比提高0.8%，噪音降低8.95%；由圖5可知，工作壽命系數(shù)也有所增大，滿足總體設(shè)計(jì)性能的要求。

3結(jié)論

(1)按照事先設(shè)計(jì)的形狀約束和性能約束兩個(gè)條件，對(duì)葉片的外部形狀、壽命系數(shù)、升阻比系數(shù)、噪聲水平進(jìn)行了優(yōu)化，使得葉片總體性能得以提高，所以有必要對(duì)葉片的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)在對(duì)葉輪葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并與直接優(yōu)化函數(shù)表達(dá)式相結(jié)合，利用MATLAB分析目標(biāo)函數(shù)在可行域內(nèi)的逐步擬合優(yōu)化，以達(dá)到預(yù)期的效果，證明了本文研究方法的可行性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱紅萍.多工位冷鐓機(jī)油霧抽吸及油霧處理方案的研究[J].機(jī)床與液壓,2012,40(21):83-86.

[2]VAROLA A,ILKILIC C,VAROL Y.Increasing the efficiencyof wind turbines[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2001(89):809-815.

[3]JURECZKO M,PAWLAK M,MEZYK A.Optimizationof wind turbine blades[J].Journal of Materials Processing Technology,2005(167):463-471.

[4]陳進(jìn),王旭東,沈文忠,等.風(fēng)力機(jī)葉片的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(3):131-134.

[5]趙知辛,王方成,劉二樂(lè).風(fēng)力機(jī)葉輪設(shè)計(jì)與有限元特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(5):226-229

[6]WANG Xu-dong,ZHANG Xian-ming.Shape design and flow simulation of mixing impeller for industrial waste oil purification[J].Applied Mechanics and Materials,2013,361(8):1050-1053.

[7]YOO-CHUL K,TAE-WAN K,SANGWOO P.Design of propeller geometry using streamline-adapted blade sections[J].Journal of Marine Science and Technology,2009,14(2):161-170.

[8]姜海波,趙云鵬.基于中弧線-厚度函數(shù)的翼型形狀解析構(gòu)造法[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):50-54.

[9]楊魏,王福軍,王宏.離心式葉輪三維反問(wèn)題設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,30(6):632-635.

[10]MARK D,HAROLD Y.XFOIL 6.94 user guide[M].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,2001.

[11]劉雄,羅文博,陳嚴(yán),等.風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(14):134-139.

[12]張彥坤,李志峰,趙永強(qiáng).型蝸桿成形磨削技術(shù)研究[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,29(1):1-4.

[13]張彥坤,李志峰.螺桿轉(zhuǎn)子成形磨削中砂輪截形的計(jì)算[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,29(5):6-9.

[14]羅文博.考慮氣動(dòng)噪聲的風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D].汕頭:汕頭大學(xué),2011.

[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Optimization and design of impeller shape by centrifugal method

for industrial waste oil purification

RONG Na,LI Zhi-feng

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology,

Hanzhong 723000, China)

Abstract:Impeller is the key part of centrifugal reactor for industrial waste oil purification and its high efficiency is an important target of the reactor for industrial waste oil purification. In order to improve the environment for industrial production, the shape optimization design process of centrifugal impeller is studied with a great focus being laid on an analysis of the shape design and performance of the impeller blade airfoil section. CATIA software is used to establish the structure of the impeller geometric model, and shape of the impeller blade section are obtained by MATLAB. The calculation results show that the optimized design of the centrifugal impeller can effectively reduce the impeller blade noise at work, improve service life, increase lift-to-drag ratio by 0.8%, thus greatly improve the purification efficiency.

Key words:centrifugal impeller;blade;shape;optimization and design