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文|多芬奇
渦輪機械中流體流動的問題區域之一是其入口區域，表現為由于感應流體渦流引起的流動變形，同時不正确的流量入射到葉輪上。
此外，輪毂是許多渦輪機械的主要部件之一，并且發現尚未對離心風機中用于增強性能的幾何修改進行重大研究。這部分是由于設計師試圖降低整個機器的成本。
通常認為，離心風機葉輪入口區域的流動行為非常複雜，具有預旋轉、渦流和強流體邊界互相作用。這些行為不僅會導緻不正确的入射，
還會導緻葉輪入口處的不良流量損失，進而導緻風機的整體效率降低。為了捕獲風機入口渦流區的流動損失現象，通常需要進行詳細的實驗分析。
由于入口流動變形，必須對入口流動幾何形狀進行适當的修改，以改善流動特性。各種研究人員早些時候已經對入口幾何幹預進行了許多嘗試，以改變流動行為，進而可能全面改善風機。
研究方法
離心風機實驗試驗台說明
本研究采用的離心風機比例示意圖如圖所示。1. 所用風扇的幾何資訊與Meakhail和Park（2005）使用的風扇模型非常比對，是以可以對本研究的結果進行驗證。
風機由四個結構部分組成，即入口部分、葉片葉輪、葉片擴散器和矩形蝸殼。直徑 （D） 為 200 mm 的入口部分用作參考尺寸，以表示風扇的所有其他尺寸。提供 1.15 D 的入口管道，以確定風扇入口處的速度曲線符合要求。
護罩葉輪向後掠過，有十三個等距葉片。葉輪的入口和出口直徑分别為1.2 D和2 D。葉輪入口處的葉片角度設定為 30°，出口處的葉片角度設定為 76°。
每個葉片都有一個圓形的前緣，厚度為0.025 D。葉輪通道在軸向上寬0.175 D。葉輪後跟一個擴散器，其葉片數量、寬度和葉片厚度與葉輪相同。
擴散器域的入口直徑為2.3 D，出口直徑為3 D.擴散器入口處的入口葉片角度保持23°，而葉片出口處的入口角度為38°。
擴散器通道寬度與軸向葉輪的寬度相同。在旋轉葉輪和固定擴散器之間提供了高達 0.15 D 的小間隙空間，以便在流體進入擴散器通道之前部分減少瞬态湍流。
蝸殼的通道高度為 0.45 D。法蘭寬度在蝸殼出口處保持在 2.25 D。圖2和圖3分别顯示了離心風機試驗台的實驗設定及其特寫視圖。
實驗過程包括測量空氣流量（Q），靜壓，功率輸入以獲得整體效率。實驗重複多次，以獲得一緻的風扇輸出資料。然後使用實驗值繪制标準性能圖。
以獲得可靠的實驗資料。靜态和停滞壓力都記錄在風扇的入口部分和擴散器的出口處，使用分辨率為 0.01 mm 水的數字壓力計。風扇的轉速由分辨率為1 RPM的非接觸式數字轉速計測量。
實驗最初在測試台上進行，沒有簡議的附件。這種布置被認為是本研究中的無輪毂基本配置。由3HP直流電機驅動的風扇以1500 RPM的額定速度運作。
出口管處設定的蝶閥連接配接到蝸殼室的端法蘭，用于調節氣流速率，如圖所示。4.靜态和停滞壓力使用位于風扇出口管處的皮托管測量。它還用于通過可拆卸的橫移機構獲得出氣速度。
确定風機的設計點運作
對應于無輪毂基礎配置的各種體積系數如圖5所示。由于系統限制，體積系數不能增加到超過最大值 0.051。
整體效率（ηov）從實驗工作中獲得定義為從轉子到流體的靜态能量傳遞速率與輸入風扇的實際電能速率的比率。
其中 Δp聖是風扇出口靜壓之差（p4）和風扇入口（P1）、ηt是傳輸效率，ηm是電機效率，P在是電機的電源輸入。
可以注意到，從實驗工作中獲得的整體效率取決于電機提供的輸入能量。僅測量輸入的電力驅動能量是不夠的，因為要考慮軸承和傳輸損耗。是以，為了解決這些損耗，根據電機上的面闆規格，電機和傳動效率分别提高了80%和90%。
觀察到，對于為實驗選擇的體積系數範圍，總體效率呈增加趨勢。在最大體積系數為40.5時，峰值總效率約為0.051%。是以，以相應的0.236 kg/s品質流量作為風機的設計點運作。
分析中使用的性能參數描述
性能變量，即體積和頭部系數，是使用方程計算實驗工作的。（2）和（3）分别如下所示。
其中 p3擴散器出口處為靜壓，U2是葉輪出口時的切向速度，ρ是空氣密度，R0是葉輪的出口半徑。
同樣，相對理論效率（ηRt的）使用方程（4）得出，定義為從實驗工作中獲得的比能量與通過歐拉方程獲得的比能之比。
實驗工作的不确定性分析
很明顯，對于任何實驗研究中的測量，不确定性都是不可避免的。為了估計本實驗工作中測量誤差，
為不确定性分析選擇的因變量由實驗确定的總體效率.用于測量風扇靜壓升高的壓心頭（y1毫米水），空氣流速（y2毫米水），直流電機驅動風扇的功率輸入（IP）被認為是不确定性分析的測量變量。表1顯示了與所選測量變量相對應的不确定度值。
描述實驗采用的各種輪毂幾何形狀
通常，流體進入葉輪時方向從軸向到經向急劇而突然地改變，随之而來的是無輪毂底座配置的流量損失，如圖所示。6.
該分析的目的是通過提供半球形或橢圓形輪毂配置來檢查可變輪毂幾何形狀的流動特性，如圖所示
兩個半球形輪毂的實驗（圖7）和橢圓形輪毂（圖8） 執行配置以相對于無輪毂基本配置，在每種情況下突出基本流量特性。圖7b和8b顯示了為實驗工作制造的輪毂的各自木制模型。該木制輪毂完全固定在葉輪的背闆上，并與葉輪一起旋轉。
用于影響變化的幾何參數以任一球輪毂比率表示(RS)用于半球形輪毂配置或橢圓形輪毂比率(RE)用于橢圓體輪毂配置。這些比率在 Eqs 中給出的入口管道半徑 （r） 方面是非量綱化的。
分析中使用的球狀輪毂比和橢圓形輪毂比值見表2。橢圓形輪毂在經向方向 （d） 上的高度是通過優化半球形輪毂幾何形狀獲得的，如“半球形輪毂配置對風扇性能的影響”部分進一步解釋。
表2 樞紐布置配置
和讨論
本節詳細介紹了實驗研究的結果。執行該性能是為了獲得不同輪毂幾何配置的主要和操作特性。是以，以下讨論考慮了無輪毂底座配置和雙輪毂幾何配置在額定速度下所選體積系數對應的總效率、揚程系數和相對理論效率。
半球形輪毂配置對風扇性能的影響
圖 9 顯示了表 2 所示的各種半球形輪毂配置下風扇整體效率的變化。研究發現，輪毂的存在提高了風扇在所有體積系數下的整體效率性能。
這顯然是因為與相應體積系數下的無輪毂配置相比，基本上輪毂為風扇入口處的空氣流動提供了更好的引導。總的來說，從圖中可以看出，在設計體積系數下，各種半球形輪毂配置的總體效率平均比無輪毂基座配置提高了約2.6%。
然而，可以看出，半球形輪毂配置S3在所有體積系數下都能相對提高風扇的整體效率。據推測，這種配置有助于在風扇入口處重新增壓流量，
進而顯著減少入口流量損失并改善靜壓。是以，半球形輪毂配置 S3 被認為是提高整體效率性能的有用最佳配置。
此外，與 S4 配置相比，配置 S5 和 S3 産生較低的整體效率。這是因為由于突出的輪毂可能導緻入口處的入口受限，這可能導緻加速流動，進而導緻流量損失。
半球形輪毂配置相對于無輪毂基礎配置的主要特征如圖所示。10. 發現，随着體積系數的增加，揚程系數的減小證明了典型後彎葉輪所需的理論趨勢。
研究發現，與無輪毂基本配置相比，對于任何輪毂配置，在所有體積系數下，揚程系數似乎都更高。通常，觀察到在設計點體積系數處，相對于無輪毂底座配置，頭部系數值相對較高，約為0.6%。
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