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文|多芬奇
涡轮机械中流体流动的问题区域之一是其入口区域，表现为由于感应流体涡流引起的流动变形，同时不正确的流量入射到叶轮上。
此外，轮毂是许多涡轮机械的主要部件之一，并且发现尚未对离心风机中用于增强性能的几何修改进行重大研究。这部分是由于设计师试图降低整个机器的成本。
通常认为，离心风机叶轮入口区域的流动行为非常复杂，具有预旋转、涡流和强流体边界相互作用。这些行为不仅会导致不正确的入射，
还会导致叶轮入口处的不良流量损失，从而导致风机的整体效率降低。为了捕获风机入口涡流区的流动损失现象，通常需要进行详细的实验分析。
由于入口流动变形，必须对入口流动几何形状进行适当的修改，以改善流动特性。各种研究人员早些时候已经对入口几何干预进行了许多尝试，以改变流动行为，从而可能全面改善风机。
研究方法
离心风机实验试验台说明
本研究采用的离心风机比例示意图如图所示。1. 所用风扇的几何信息与Meakhail和Park（2005）使用的风扇模型非常匹配，因此可以对本研究的结果进行验证。
风机由四个结构部分组成，即入口部分、叶片叶轮、叶片扩散器和矩形蜗壳。直径 （D） 为 200 mm 的入口部分用作参考尺寸，以表示风扇的所有其他尺寸。提供 1.15 D 的入口管道，以确保风扇入口处的速度曲线符合要求。
护罩叶轮向后掠过，有十三个等距叶片。叶轮的入口和出口直径分别为1.2 D和2 D。叶轮入口处的叶片角度设置为 30°，出口处的叶片角度设置为 76°。
每个叶片都有一个圆形的前缘，厚度为0.025 D。叶轮通道在轴向上宽0.175 D。叶轮后跟一个扩散器，其叶片数量、宽度和叶片厚度与叶轮相同。
扩散器域的入口直径为2.3 D，出口直径为3 D.扩散器入口处的入口叶片角度保持23°，而叶片出口处的入口角度为38°。
扩散器通道宽度与轴向叶轮的宽度相同。在旋转叶轮和固定扩散器之间提供了高达 0.15 D 的小间隙空间，以便在流体进入扩散器通道之前部分减少瞬态湍流。
蜗壳的通道高度为 0.45 D。法兰宽度在蜗壳出口处保持在 2.25 D。图2和图3分别显示了离心风机试验台的实验设置及其特写视图。
实验过程包括测量空气流量（Q），静压，功率输入以获得整体效率。实验重复多次，以获得一致的风扇输出数据。然后使用实验值绘制标准性能图。
以获得可靠的实验数据。静态和停滞压力都记录在风扇的入口部分和扩散器的出口处，使用分辨率为 0.01 mm 水的数字压力计。风扇的转速由分辨率为1 RPM的非接触式数字转速计测量。
实验最初在测试台上进行，没有简议的附件。这种布置被认为是本研究中的无轮毂基本配置。由3HP直流电机驱动的风扇以1500 RPM的额定速度运行。
出口管处设置的蝶阀连接到蜗壳室的端法兰，用于调节气流速率，如图所示。4.静态和停滞压力使用位于风扇出口管处的皮托管测量。它还用于通过可拆卸的横移机构获得出气速度。
确定风机的设计点运行
对应于无轮毂基础配置的各种体积系数如图5所示。由于系统限制，体积系数不能增加到超过最大值 0.051。
整体效率（ηov）从实验工作中获得定义为从转子到流体的静态能量传递速率与输入风扇的实际电能速率的比率。
其中 Δp圣是风扇出口静压之差（p4）和风扇入口（P1）、ηt是传输效率，ηm是电机效率，P在是电机的电源输入。
可以注意到，从实验工作中获得的整体效率取决于电机提供的输入能量。仅测量输入的电力驱动能量是不够的，因为要考虑轴承和传输损耗。因此，为了解决这些损耗，根据电机上的面板规格，电机和传动效率分别提高了80%和90%。
观察到，对于为实验选择的体积系数范围，总体效率呈增加趋势。在最大体积系数为40.5时，峰值总效率约为0.051%。因此，以相应的0.236 kg/s质量流量作为风机的设计点运行。
分析中使用的性能参数描述
性能变量，即体积和头部系数，是使用方程计算实验工作的。（2）和（3）分别如下所示。
其中 p3扩散器出口处为静压，U2是叶轮出口时的切向速度，ρ是空气密度，R0是叶轮的出口半径。
同样，相对理论效率（ηRt的）使用方程（4）得出，定义为从实验工作中获得的比能量与通过欧拉方程获得的比能之比。
实验工作的不确定性分析
很明显，对于任何实验研究中的测量，不确定性都是不可避免的。为了估计本实验工作中测量误差，
为不确定性分析选择的因变量由实验确定的总体效率.用于测量风扇静压升高的压心头（y1毫米水），空气流速（y2毫米水），直流电机驱动风扇的功率输入（IP）被认为是不确定性分析的测量变量。表1显示了与所选测量变量相对应的不确定度值。
描述实验采用的各种轮毂几何形状
通常，流体进入叶轮时方向从轴向到经向急剧而突然地改变，随之而来的是无轮毂底座配置的流量损失，如图所示。6.
该分析的目的是通过提供半球形或椭圆形轮毂配置来检查可变轮毂几何形状的流动特性，如图所示
两个半球形轮毂的实验（图7）和椭圆形轮毂（图8） 执行配置以相对于无轮毂基本配置，在每种情况下突出基本流量特性。图7b和8b显示了为实验工作制造的轮毂的各自木制模型。该木制轮毂完全固定在叶轮的背板上，并与叶轮一起旋转。
用于影响变化的几何参数以任一球轮毂比率表示(RS)用于半球形轮毂配置或椭圆形轮毂比率(RE)用于椭圆体轮毂配置。这些比率在 Eqs 中给出的入口管道半径 （r） 方面是非量纲化的。
分析中使用的球状轮毂比和椭圆形轮毂比值见表2。椭圆形轮毂在经向方向 （d） 上的高度是通过优化半球形轮毂几何形状获得的，如“半球形轮毂配置对风扇性能的影响”部分进一步解释。
表2 枢纽布置配置
和讨论
本节详细介绍了实验研究的结果。执行该性能是为了获得不同轮毂几何配置的主要和操作特性。因此，以下讨论考虑了无轮毂底座配置和双轮毂几何配置在额定速度下所选体积系数对应的总效率、扬程系数和相对理论效率。
半球形轮毂配置对风扇性能的影响
图 9 显示了表 2 所示的各种半球形轮毂配置下风扇整体效率的变化。研究发现，轮毂的存在提高了风扇在所有体积系数下的整体效率性能。
这显然是因为与相应体积系数下的无轮毂配置相比，基本上轮毂为风扇入口处的空气流动提供了更好的引导。总的来说，从图中可以看出，在设计体积系数下，各种半球形轮毂配置的总体效率平均比无轮毂基座配置提高了约2.6%。
然而，可以看出，半球形轮毂配置S3在所有体积系数下都能相对提高风扇的整体效率。据推测，这种配置有助于在风扇入口处重新增压流量，
从而显著减少入口流量损失并改善静压。因此，半球形轮毂配置 S3 被认为是提高整体效率性能的有用最佳配置。
此外，与 S4 配置相比，配置 S5 和 S3 产生较低的整体效率。这是因为由于突出的轮毂可能导致入口处的入口受限，这可能导致加速流动，从而导致流量损失。
半球形轮毂配置相对于无轮毂基础配置的主要特征如图所示。10. 发现，随着体积系数的增加，扬程系数的减小证实了典型后弯叶轮所需的理论趋势。
研究发现，与无轮毂基本配置相比，对于任何轮毂配置，在所有体积系数下，扬程系数似乎都更高。通常，观察到在设计点体积系数处，相对于无轮毂底座配置，头部系数值相对较高，约为0.6%。
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