浅谈船用风机的优化设计

【摘要】 改革开放以来，我国对工业的发展极为重视，尤其是交通方面，投入了大量的资金，我国又是一个海岸线很长的国家，在对国内和国外的船舶交通运输领域有很强势的依赖性，风机又是船舶上非常重要的设备，它对船舶的运输工作效率影响很大，经过我国科研工作者不断进行努力，船用风机的设计和应用已经有了长足的进步，在船体动力装置中提高进气压力、其他气体排放、气体运输、通风换气等等方面都有很好的发展。本文通过介绍船用风机设备现状和优化设计情况，阐述我国在此领域的进步技术，展望未来风机的发展趋向，为相关设计提供一定的资料。

【关键词】 船舶；风机；离心风机；优化设计

新时期下，对于设备的优化设计是我国工业发展的关键途径，对于风机来说也是如此，其应用十分广泛，是很多工业单位部门中输送相关气体介质的关键设备和核心耗能装置，提高其工作效率是节约现有能源的有效途径，对于合理的能源配置方面有重要的意义，长期以来国内外大量相关科研人员根据实际运行情况和模拟数据对风机进行了大量的理论和实验研究，已经对风机有了很有效的优化。

随着计算机科学的不断进步，利用相关模拟软件对实际的风机运行情况进行较为真实的模拟，改进其预发生的问题，可以很好的对其进行优化，节约了时间和资金。在船舶领域，也有很多种类的风机得到应用，离心风机应用在二冲程柴油机启动和低负荷运行时，需要用离心鼓风机提高进气压力，完成气缸扫气。为了进一步减小风机尺寸，节约金属材料，对船用风机进一步优化设计是很有必要的。要想优化风机设计，必须对风机内部流体的情况有清晰的了解，对其进行深入的分析，得到较为详细的相关参数，进一步分析其内部流体特征，细致研究内部能耗损失，针对结果剖析其影响因素，根据可能影响效率的几个几何结构进行参数分析，反复试验优化方案才能得到满意结果。

1、国内外船用风机设计方法简介

风机的发展在全球范围内已经有100多年的历史，国外的相关生产和设计已经比较成熟，但是延长分级寿命和提高风机效率仍然是现在工作的重心。我国在风机设计方面的发展就相对较晚了，自上世纪五十年代我国第一个机器工业局成立以来，我国工业设备的发展十分迅猛，这一时期也是风机发展的关键时期，直到六七十年代我国才进入自行设计阶段，经过我国科研人员的不断努力，有很多类型的风机已经发展成为了高效节能的产品，尤其九十年代以后，我国在风机制造方面有了国外先进技术的支持和国外大型风机企业在中国建厂的实际支持，风机设计优化方面发展迅猛，但是跟国外最先进水平的差距还是十分明显，目前我国仍处在学习阶段。

1.1、一元设计方法

一元设计法要求对模型进行一定的假设，针对风机内部复杂的三维勃性非定常流动，将其简化成一元无勃流动，从中获取几个相关重要的结构性能参数，分析其变化规律，确定相关蜗壳和叶轮的尺寸和结构。其主要缺点还是简化的过程过多，不能够变现实际的风机工况，大多数情况下是根据相关模拟人员的工程和模拟经验来进行修改，得到相对值得信赖的结果，为了改进，研究人员提出了过流断面的设计概念。

1.2、二元叶片设计方法

相对于一元设计法，二元叶片设计方法是针对风机的叶轮设计优化进行改进的方法，其中主要应用等扩张度方法和等减速方法。等扩张度方法主要是根据实际工程中风机的扩张角问题提出的方法，当其过大时风机效率下降明显，此方法可以控制相对平均流速沿流线的变化规律，通过简单的几何关系就可以得到叶片形线。等减速方法可以为叶轮中的相对速度沿着平均流线的分布进行规定，计算出其中的叶轮流动的损失，保证流场内的气流用相同的速率改变相对速度。

1.3、三元叶片设计方法

三元叶片设计主要由全可控涡设计法和载荷法组成，前者采用在风机叶轮流道的中间面附近上应用流线的曲率设计法，它需要结合研究人员的实际工程经验才能较好的进行叶片的设计。后一种方法就是对叶片上的压力面和吸力面上的速度差进行控制，以此来对叶片压力进行载荷控制，计算得到风机流道中平均流线速度，模拟所需叶片形状。

1.4、近似模型法

应用统计学理论，采用随机类优化方法在工程中进行实践操作，可以避免其中的计算量过大问题，在一定范围内对设计的准确性有一定的保证，合理观察设计目标的实际要求，着力使用近似模型，提供快速的空间探测分析工具，在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本

2、船用风机的优化设计步骤

2.1、风机叶轮设计指导思想

2.2、各项参数指标的确定

对于转速来说，原则上在转速范围内取最佳效率的电机转速，对于交流电机，最好确定在电机同步转速的转差率0.2以内，因为在此区间电机的效率比较高。对于直流电机，没有严格的指标。

2.3、叶片设计

叶片的设计步骤首先要根据客户要求或者提供的压力和流量确定通风机的转速n，叶轮直径D，然后确定叶轮叶片Z和叶片宽度b 以及稠度τ，接着确定需要计算叶片截面；以及叶环的气流参数，再根据所得数据计算各截面的气流角以及叶珊几何角，最后进行叶形状的绘制。

2.4、CFD流体仿真软件的应用

3、风机开发的展望