離心式通風機作為流體機械的一種重要類型（xíng），廣泛應用（yòng）於國民經濟各個部門, 是主要（yào）的耗能機械之一，也是節能減排的一個（gè）重要研究領域。研究過程表明：提高離心通風機葉輪設計水平（píng）,是提（tí）高離心通風（fēng）機效率、擴（kuò）大其工況範圍的關鍵。本文將從離心通（tōng）風機葉輪的設計和利用邊（biān）界層控製技術提高（gāo）離心通風機葉輪性能這兩個方麵，對近年來提出的提高離心通風機性能的方法和途徑的（de）研究進行歸納分析。
離（lí）心通風機葉輪的設計方法（fǎ）簡述
     如何設計高效、工藝簡單的離心通風機一（yī）直是科研人員（yuán）研究的主要問題，設計高效葉輪葉片是解決這一問題的主（zhǔ）要（yào）途徑。
     葉輪是風機的核心氣動部件，葉輪內部流動的好壞直接（jiē）決定著整機的性能和效率。因此國內外學者為（wéi）了了解葉輪內部的（de）真（zhēn）實流動狀況（kuàng），改進葉輪設計以提高（gāo）葉輪（lún）的性能和效率，作了大量（liàng）的工作。
    為了設計出高效的離心葉輪, 科研工作（zuò）者們從各種角度來研究氣（qì）體在（zài）葉輪內的流動規律, 尋求最佳的葉（yè）輪設計方法。最（zuì）早使（shǐ）用的是一元設計方法[1]，通過（guò）大量的統計數據和一定的理論分析，獲得離心通（tōng）風機各個關鍵截麵氣動和結構參數的選擇規律。在一元（yuán）方法（fǎ）使用的初期，可以（yǐ）簡單地（dì）通過對風機各個關鍵截麵的平均速度計算（suàn），確（què）定離心（xīn）葉輪和蝸殼（ké）的關鍵（jiàn）參數，而（ér）且一般葉片型線采用（yòng）簡單的單（dān）圓弧成型。這（zhè）種方法（fǎ）非常粗糙，設計的風機性能需要設計人員有非常豐富的經驗，有時可以獲得性能不錯的風（fēng）機，但是，大部分（fèn）情況（kuàng）下，設（shè）計的通風機效率低下。為了（le）改進，研究人（rén）員對（duì）葉輪輪蓋的子午麵型線采用過流斷麵的概（gài）念進行設計[2-3] ，如此設（shè）計出來的離（lí）心葉輪的輪蓋為兩（liǎng）段或多段圓弧，這種方法設計的葉輪雖然（rán）比前一種一元設計方法效率略有提高（gāo），但是該方法設計的風（fēng）機輪蓋（gài）加工難度大，成（chéng）本（běn）高（gāo），很難用於大型風機和非標風機的生產。另外一個重要方麵就是改進葉片設計，對於二元葉片的改進方法主要為采（cǎi）用等減（jiǎn）速方法和等擴張度方法等[4]，還有采用給定（dìng）葉（yè）輪內相對速（sù）度（dù）W沿平均流線m分布[5]的方法。等減速方法從損失（shī）的角度考慮，氣流相對速度在葉輪流道內的流動過（guò）程（chéng）中以（yǐ）同一速率均勻變化（huà），能減少流（liú）動損失，進而提高葉輪效率；等擴張度方法是為了避免局部
地區過大的擴張（zhāng）角而提出的方法。給定的葉輪內相對速度W沿平均流線（xiàn）m的分（fèn）布是通過控製相（xiàng）對平均（jun1）流速沿流線m的變化（huà）規律（lǜ），通過簡單（dān）幾何關係，就可（kě）以得到葉片型線沿半徑的分布。以上方法雖然簡單，但（dàn）也需（xū）要比較複雜的數值計算。
   隨著數值計（jì）算以及（jí）電子計算機的高速發展，可以采用更（gèng）加複雜的方法設計離心通（tōng）風機葉片。苗水淼等運用“全可控渦”概念[6],建立了一種采用流線曲率法在（zài）葉輪流道的子午麵上進行葉（yè）輪設計的（de）設計方法,該方（fāng）法目前已經推廣（guǎng）至工程界,並已經取得了顯著（zhe）效果[7]。但是此（cǐ）方法中決定葉輪設計成功與（yǔ）否的關鍵,即如何給出子午（wǔ）流麵上葉片渦的合理（lǐ）分（fèn）布。這一方（fāng）麵需要具有較豐富的設計經驗；另一方麵也需要在設計過程（chéng）中（zhōng）對設計結果不斷改（gǎi）進以符合葉片渦的分布規律,以期最終設計出（chū）高效（xiào）率的葉輪機械。對於整個子午麵上可（kě）控渦的確定，可以采用rCu沿輪（lún）盤、輪蓋的給定，可以通過線（xiàn）性插值的方法確定rCu在整個子（zǐ）午麵上的分布[8-9]，也可以通過經驗公（gōng）式確定可控渦（wō）的（de）分布（bù）[10]，也有利用給定葉片載荷法[11]設計（jì）離心通風機的葉片。以上方法都是（shì）采用流線（xiàn）曲率（lǜ）法，設計出的是三元離（lí）心（xīn）葉片，對於二元離（lí）心通風機（jī）葉（yè）片（piàn）還不能直接應用。但數值計算顯示，離心通風（fēng）機的二元葉片內部流動的結構是更複雜的三維流動。因此，如何利用三維（wéi）流場計算方法進一步來設計高（gāo）效二元離心（xīn）葉輪是提高離心通風機設計技（jì）術的關鍵。
   隨著計算技（jì）術的不斷發展，三維粘性流場計算獲得了非常大的進步，據此，有一些研究者提（tí）出了近（jìn）似模（mó）型方法（fǎ）。該（gāi）方法是針對（duì）在工程中完全采用隨機類優化（huà）方法尋優時計算量（liàng）過大的問題，應用統計學（xué）的方法，提出的一種計算量小、在一定（dìng）程度上可（kě）以保證設計準確性的方法。在近似模型方法應用於葉輪機械氣動優化設計方麵,國內外研究者們已經做了相當一（yī）部分工作[12-14] ,其中以響應麵和（hé）人工神經網絡（luò）方法應用居多。如何有效地（dì）將近似模型（xíng）方法應用於多（duō）學科（kē）、多（duō）工況的優化問題,並用較少的設計參數覆蓋更大的實際設計空間,是一個重要的（de）課題。
   2007年，席光（guāng）等提出了近似模型方法在葉（yè）輪機械氣動優化（huà）設計中（zhōng）的應用（yòng）[15]。近似模型（xíng）的建立過程主要包括: （1）選擇試驗設計方法並布置樣本點,在樣本點上產生（shēng）設（shè）計變量和設計目標（biāo）對應的樣本數據；（2）選擇模型函數來表示上麵的樣本數據（jù）；（3）選擇某種方法,用上麵的模型函數擬合樣本數據，建立近似模型（xíng）。以上每一步選（xuǎn）擇不（bú）同的方法或者模型，就相應產生了各種不同的近似模型方法。該方法不僅有利於（yú）更準確地洞察設計量和設計目標之間的關係，而且用近似模型來取代計算費時的評估目標函數的計算（suàn）分（fèn）析程序，可（kě）以為工程優（yōu）化（huà）設計提供（gòng）快速的空（kōng）間探（tàn）測分析工具，降低了計（jì）算成本。在氣動優化設計過程中，用該模型取代（dài）耗時的高精度的（de）計算流體動力學分析 ,可以加速設計過程 ,降低設計成本。基於統計學理論提出的近似模型（xíng）方法，有效地（dì）平衡了基於計算流體動力學分析的葉輪機械氣動（dòng）優化設計中計算成本和計算精度這一對矛盾。該近似模型方法在試驗設計方法基礎上，將響應麵方法、Kriging方法和人工神經網（wǎng）絡技術成功地應用於葉輪機械（xiè）部件的優化設計中，在離心（xīn）壓縮機葉片擴壓器、葉輪和混流泵葉輪設計等問題中得到了成功應用,展示了廣闊的工程應用前景。目前（qián），席光課題組已經建立了離（lí）心壓縮機部件及水泵葉輪的優化設計係統（tǒng），並在工程設計中發揮了重要作用（yòng）。
   2008年，李景銀（yín）等在近似模型方法的基礎上提出了（le）控製離心葉輪流道的相對平均速度優（yōu）化設計（jì）方法[16]，將近似模型方法較早（zǎo）的應用於離心通風（fēng）機葉（yè）輪（lún）設計。該方法通過給（gěi）出流道內（nèi）氣流平均速度沿平均流線的設計（jì）分布，設計出一組離心風機參數，根據（jù）正交性準則，在充分考慮影響葉輪效率因素的基礎上，采用正（zhèng）交優化方法進行優（yōu）化組合，並結合基於流體（tǐ）動力學分析軟件的數值模（mó）擬，最終成功（gōng）開發了與全（quán）國推（tuī）廣產品9-19同樣設計參數（shù）和葉輪大小（xiǎo）的離心通風機（jī）模型，計算全壓效率提高了4%以上。該方法簡單（dān）易行、合理可靠，得到了很高的設計開發效率。
   隨著理論研究的不斷深入和設計方法的不斷提（tí）高，對於降低葉輪氣動損（sǔn）失、改善（shàn）葉（yè）輪氣動性能的措施，提高離心風機效率的研究，將會更好的應用於工程實際中。
   改善離心（xīn）通風機內葉輪流動的方法
   葉輪是離心風機的心髒，離心風機葉輪的內（nèi）部流動是一個非常複雜的逆（nì）壓過程，葉輪的高速旋轉和葉（yè）道複雜幾何形狀都（dōu）使其內（nèi）部流動變成了非常複雜的三維湍流流動。由於壓差，葉片通道內一般會存在（zài）葉片壓力麵向吸力麵的二次流動，同（tóng）時由於氣流（liú）90°轉彎，導致輪盤壓力大於輪蓋（gài）壓力也形成（chéng）了二次流，這一般會（huì）導致葉輪的輪蓋（gài）和葉片吸力麵區域出現（xiàn）低速區甚至分離，形成（chéng）射流—尾跡結構[17]。由於射流—尾跡結構的存在，導致離心風機效率下降，噪聲增大。為了改善離心葉輪內部的流動（dòng）狀況，提高葉輪效率（lǜ），一個重要的研究（jiū）方向就（jiù）是采用邊界層控製方式提高離心葉輪性能，這也是近年的熱點研究方向。
    2007年，劉小民等人采用邊界層主（zhǔ）動控製技術在壓縮機進（jìn）氣段選擇性布置渦流發生器（qì），從而改變葉輪（lún）進口處流場（chǎng）, 通過數值計算對不同配置參數下離心壓縮機性能進行對（duì）比分析[18]。該文章對渦流發生器應用於離心葉輪內（nèi）流動控製的效果進行了初步的驗證和研究（jiū）, 通過數（shù）值分析表明這種方法確實可以改善葉輪內部流動, 達到提高葉輪性能的效果。但是該（gāi）主動控（kòng）製技術結構複雜，而且（qiě）需要外加控製設備和能量，對要求經濟耐用（yòng）的離心（xīn）通風機產品不具有競爭力（lì）。
    采用邊界層控（kòng）製方式提高離心葉輪（lún）性（xìng）能的另外（wài）一種方法就是采用自適應（yīng）邊界層控製技術（shù）。1999年，黃東濤等人提出了離心通風機葉輪設計中采用長短葉片開縫方法[19-20]，該方法采用的串列葉柵（shān）技術，綜合了長短葉片和邊界層吹氣（qì）兩種技術的優點，利用邊（biān）界層吹氣（qì）技術抑製邊界層的增長，提高效率，而且試驗結果（guǒ）表明[20]，該方法可以有效的提高設計和大流量下的風機效率，但對小流量效果（guǒ）不明顯。文（wén）獻[21]用此（cǐ）思想解決（jué）了離心葉輪內（nèi）部積灰的問題。雖然串列（liè）葉柵技術在離心壓（yā）縮機葉輪[20]內沒有獲得（dé）效率提高的效果，但從文獻內（nèi）容（róng）看，估計是由於該文作（zuò）者主要研（yán）究的是串聯葉片的相位效應（yīng），而沒有（yǒu）研究串聯葉片的徑（jìng）向位置（zhì）的變化影（yǐng）響導（dǎo）致的。
   理論和試驗都表明，離心葉輪的射流（liú）尾跡結構（gòu）隨著（zhe）流（liú）量減小更加強烈，而且小流量時，尾跡處於吸力麵，設計流量時，尾跡處於吸力麵和（hé）輪蓋交界處（chù）。為了提高設（shè）計（jì）和小流量離心通風機效率，2008年，田（tián）華等人提出了（le）葉片開（kāi）縫技術[22]，該技術提出在葉輪輪蓋與葉片之間葉片（piàn）尾（wěi）部處開縫，引（yǐn）用（yòng）葉（yè）片壓力麵側的高壓氣體吹除吸力麵側的低速（sù）尾跡區，直接給葉輪內的低速流體提供能量。最終得到在設計流量和（hé）小流量情況下，葉輪開縫後葉片表麵分離區域減（jiǎn）小，整個流道速（sù）度和葉輪內部相對速度分布更加均勻，且最大絕對速度明顯減小的結果。這種方法改善了葉（yè）輪內部流場的流動狀況（kuàng），達到了提高離心葉輪（lún）性能和整機性能的效果，而且（qiě）所形成的射流可以吹（chuī）除葉片吸力麵的（de）積灰，有利於（yú）葉輪在氣固兩相流中（zhōng）工（gōng）作。
   2008年，李景銀等人提出在離心風機輪蓋（gài）上靠近葉片吸力（lì）麵處開孔的方法[23]，利用（yòng）蝸殼內的高壓（yā）氣體產生射（shè）流，從而直接給葉輪內的低速或分離流體提供能量，以減弱由葉輪內二次流所導致的射流-尾跡結構，並可用於消除或解決部分負荷時,常發生的離心葉輪的積灰問題。通過對離心風機整機的數值試驗，發（fā）現輪蓋開孔後，在設計點附近的風機壓力（lì）提高了約2％，效率提高了1％以上，小流量（liàng）時（shí）壓力提高（gāo）了1.5％，效率提高了2.1％。在設計流量和小流量時，由於輪（lún）蓋開孔形（xíng）成的（de）射流，可以明顯改善葉輪出口的分離（lí）流動，減小低（dī）速區域，降低葉輪出口處的最高（gāo）速度和速度梯度，從（cóng）而減弱了離心葉（yè）輪出口處的射流—尾跡結構。此外，沿葉片表麵流動分離區域減小，壓力增加更有規律。輪蓋開孔方法可以提高設計流量和小流量下的閉式離心葉輪性能和整機性能，如果結合離心葉輪串列葉柵自適應（yīng）邊界層控製技術，有可（kě）能全麵提高離（lí）心葉輪性能。
3  結論
    綜上（shàng）所述, 近年來對離心通風機葉輪內部流動的研究取得了明顯進展, 有些研究（jiū）成果已經應用到實際設計中（zhōng），並獲得令人滿意的結果。目前, 對離心通風機葉輪內部流動的研究仍是比（bǐ）較活躍的研究領域之一，筆者認為可在如下方麵（miàn）進行進一步研（yán）究：
（1）如何將近似模型方法在通風機（jī）方麵的應（yīng）用進行更深入的研究，結合已有的葉片（piàn）設計技術，探（tàn）索更加高效快（kuài）速的優化設計方法；
（2）如何將串列葉柵、輪蓋開孔（kǒng）和葉片開（kāi）縫等離心（xīn）葉輪自適應邊界層控製技術結合起來，在全工（gōng）況範圍內改善離心通風機葉輪的性能，提高離心風（fēng）機的效率；
（3）考慮非定常特性的設計方法研究。目前，研究離心通風機葉輪（lún）內部（bù）的流動均仍以定常計算（suàn）為主，隨著動態試（shì）驗和數值模擬的發展, 人（rén）們對於葉輪（lún）機械內部流動的非定常現象及其（qí）機理將越來越清楚, 將非定常的研究成果（guǒ）應用於設計（jì）工作中是（shì）非常重要的方（fāng）麵。