1 绪 论
1.1 课题的目的和意义
离心风机属于叶轮机械的一种，广泛应用于能源、环境、航空等各个领域，是工农业生产中主要耗能设备之一。离心风机在国民经济的各方面和社会生活各领域都有极广泛的应用。据统计，我国各类风机的耗电量占全国总发电量的三分之一，仅工业用通风机的耗电量就占全国总电量的12%。因此，设计出高效率的风机，对节约能源有十分重要的意义；同时，风机又是生产和社会活动中一个主要的噪声源，在保护环境作为国家一项基本国策的今天，风机噪声的研究己引起高度的重视。因此，低噪声离心通风机是社会各方面的迫切愿望和风机设计行业努力奋斗的又一主要目标。
离心通风机原理：离心通风机叶片之间的气体在叶轮旋转时，受到离
心力作用获得动能（动压头）从叶轮周边排出，经过蜗壳状机壳的导向，使之向通风机出口流动，从而在叶轮中心部位形成负压，使外部气流源源不断流入补充，从而使风机能排出气体。
电动机通过轴把动力传递给风机叶轮，叶轮旋转把能量传递给空气，在旋转的作用下空气产生离心力，空气延风机叶轮的叶片向周围扩散，此时，风机叶轮越大，空气所接受的能量越大，也就是风机的压头（风压）越大。如果将大的叶轮割小，不会影响风量，只会减小风压。
离心通风机主要由叶轮和机壳组成，小型通风机的叶轮直接装在电动机上中、大型通风机通过联轴器或皮带轮与电动机联接。离心通风机一般为单侧进气，用单级叶轮；流量大的可双侧进气，用两个背靠背的叶轮，又称为双吸式离心通风机。
离心风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。离心风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却；锅炉和工业炉窑的通风和引风；空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风；谷物的烘干和选送；风洞风源和气垫船的充气和推进等。
叶顶间隙流动是导致离心风机叶片产生流动损失的主要原因之一。在离心风
机叶轮中，因为叶顶间隙的存在，叶顶间隙泄漏就不可避免。叶顶间隙流对离心风机性能和稳定性都有着重要影响。离心机叶顶间隙流并非始终处于定常状态，在某些流动条件下，它会产生明显的非定常波动，并影响风机的总性能。充分了解风机叶顶间隙流的非定常特征，揭示其形成机理，并探索利用这种非定常特征提高离心机性能的可能性。
图1 离心通风机
1.2 离心风机的发展历史
1.2.1发展历史
风机已有悠久的历史。中国在公元前许多年就已制造出简单的木制砻谷风车，它的作用原理与现代离心风机基本相同。1862年，英国的圭贝尔发明离心风机，其叶轮、机壳为同心圆型，机壳用砖制，木制叶轮采用后向直叶片，效率仅为40％左右，主要用于矿山通风。1880年，人们设计出用于矿井排送风的蜗形机壳，和后向弯曲叶片的离心风机，结构已比较完善了。
1892年法国研制成横流风机；1898年，爱尔兰人设计出前向叶片的西罗柯式离心风机，并为各国所广泛采用；19世纪，轴流风机已应用于矿井通风和冶金工业的鼓风，但其压力仅为100～300帕，效率仅为15～25％，直到二十世纪40年代以后才得到较快的发展。
1935年，德国首先采用轴流等压风机为锅炉通风和引风；1948年，丹麦制成运行中动叶可调的轴流风机；旋轴流风机、子午加速轴流风机、斜流风机和横流风机也都获得了发展。2002年，中国的防爆离心风机，在化工，石油，机械等领域广泛被采用，长林东防爆离心风机也得到了发展。
离心式压缩机是在离心通风机的基础上发展起来的，20世纪出现了压力比
为4.5的离心压缩机。50年代开始，离心压缩机制造业在欧美的工业发达国家得到发展。1963年，美国生产出第一台合成氨厂用的14.7MPa高压离心压缩机，采用筒型机壳代替水平剖分型机壳，又称筒型压缩机，它能承受10MPa以上的压力。70年代，美国、意大利和德国先后制成60～70MPa高压筒型压缩机，筒体壁厚280mm。80年代初排气压力已达80MPa。离心压缩机的转速一般为每分钟几千转以上，有的已达到25000转以上。所需功率可达几万千瓦，流量已达10000m3 /min。离心压缩机的常规叶轮是以一维流动理论为基础设计的，60年代开始应用三维流动理论设计空间扭曲叶片，以改善叶轮级的性能。 1.2.2 离心风机的发展现状
近年来中国风机行业已研制一系列高效新型风机，特别是随着引进技术的不断消化与完善，上故、沈鼓、成都电力机械的电站风机，上鼓的隧道分级，四平、重通的高温风机、北京西山、沈鼓、上鼓的工业锅炉风机等逐渐得到用户的认可，这给工厂带来极大的经济效果。但中国仍有多种低效旧风机需要更新换代，新推广的风机也有待于进一步完善。因此，中国应该不断提高风机产品质量、稳定市场需求，还要积极引进先进技术，提高技术开发能力；以名牌战略，大力开拓市场；以经济规模促进风机企业发展。
中国风机产品尚未涉及或将要涉及的领域还有许多，风机产品在煤矸石综合利用、新型干法熟料技改项目、冶金工业的节能及资源综合利用等20多个潜在的市场领域未来将有较大的发展前景。 1.2.3 离心风机的发展趋势
随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也越来越高，就目前国外风机技术发展趋势而言，将沿着风机容量不断增大、高效化、高速小型化和低噪音的方向发展。
大型风机容量继续增大。各种工业装置规模的日益大型化，客观上需要各类风机的容量也随之不断增加，大机号的风机在未来几年在市场中将会受到欢迎。
高效化。为提高效率，三元流动叶轮已在通风机中得到越来越广泛的应用。其他的如斜流风机等特殊用途的风机发展将会更有市场。
高速小型化。各类风机采用三元流动叶轮后，在提高效率的同时，压力也可提高。所以在同等条件下，叶轮外径可减少10%～30%，这样就取得缩小体积和减轻重量的双重效果。提高转速也是风机小型化的重要途径之一。
低噪声化。风机的噪声是工业生产中噪声污染源最主要来源之一。风机大型化和高速化更使得噪声问题十分突出。对低频噪声，风机主要通过改进风机结构设计，降低本体噪声，若达不到要求，可采取加装消声器等措施。
综上所述，这些技术既是国外风机未来发展趋势，也是国内风机行业在技术
方面的努力方向。
风机未来发展将进一步提高风机的气动效率、装置效率和使用效率，以降低电能消耗；用动叶可调的轴流风机代替大型离心风机；降低风机噪声；提高排烟、排尘风机叶轮和机壳的耐磨性；实现变转速调节和自动化调节。
1.3 研究现状
风机的传统设计方法主要是根据一维理想流动的能量方程、连续方程、进出口速度三角形关系和一些经验的设计准则来确定叶轮结构参数，再选择流型来设计叶片型线。由于是采用一维理想流动的基本方程，因而不得不采用一些经验方法和经验数据来实现具体设计，对于一定全压风量要求的风机，叶轮设计时对诸如叶片出口安放角，叶片进口安放角，外径，内径，叶片数等几何参数的确定有太大的随意性，缺乏科学准确性，而对于所匹配的蜗壳进行设计时，在确定蜗壳宽度，张开度等参数时同样也有很大的随意性，其结果必定是对于一定全压风量性能要求的风机可能有很多个不同的设计方案。这种设计模式要求设计人员有丰富的设计经验，花费很多时间进行计算，延长了设计周期。
风机传统设计方法的优点是方法简单，且已有大量经验积累，缺点是不太科学，没有考虑三维粘性影响和定量分析叶轮内部的复杂流动，叶轮设计时未考虑蜗壳和进风口（集风器）的影响。这样的方法无法认识风机的内部流场。随着流体力学理论，特别是计算流体动力学（CFD——Computational Fluid Dynamics）方法的发展，将传统设计模式中的繁复且耗费昂贵的部分，用先进的CFD技术代替，通过这种“数值试验”可以充分认识风机内流动规律，从而为改进设计提供有效可靠的依据，可大大减少实验的工作量和耗费。
利用计算流体动力学进行数值模拟已逐步成为了解流体机械内部流动状况的重要手段。CFD相当于\虚拟\地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。如今，CFD技术逐渐成为解决分析流体问题的有力工具。
姜培正、李云、魏进家、李德昌[1] 以流体机械中应用广泛并具有典型性的活塞式、离心式压缩机和泵为主要对象，阐述了它们的工作原理、结构型式、 运行特性、调节方法和机器的全可靠性等方面的基本知识，并注意联系一些化工厂与石油炼制、石油化工厂的特点和发展趋势。
杨卫宏、周萍、萧泽强[2]采用三维时均Ｎａｖｉｅｒ?Ｓｔｏｋｅｓ方程和ｋ?ε模型分别模拟了离心通风机内部流场的流动；几何拓扑结构使用多块结构
以减少计算机内存的浪费；运用贴体坐标系统描述了复杂的几何边界；使用二阶中心差分以离散扩散项和源项；对于控制方程的对流项的离散，为了克服中心差分在网格Ｐｅ数大于２后解的不稳定和迎风差分时不考虑Ｐｅ影响的缺陷，应用混合差分（ＨＤＳ）格式，并对时间参数采用二阶向后差分；求解方程使用Ｓｉｍｐｌｅ算法．通过这些方法和手段，得出了不同时刻叶轮内流道速度、湍动能及耗散能的分布．这为了解旋转对流道内速度分布、壁面摩擦力和紊流结构等影响提供了理论依据，为离心风机设计、节能改造提供了详细的数据和有效手段。
孔珑、田名振、蔡国琰、薛祖绳[3]通过《工程流体力学》阐述了流体及其物理性质，流体静力学，流体运动学和流体动力学基础，相似原理和量纲分析，管内流动和水力计算，液体出流，气体的一维流动，理想流体的有旋流动和无旋流动，黏性流体绕过物体的流动，气体的二维流动等的概念以及计算等等。
刘春霞、聂波、陈金鑫[4]针对离心风机前后向叶轮分别在有无蜗壳时的情况进行了对比试验和数值模拟分析，得出了离心风机蜗壳对风机性能的影响程度以及在无蜗壳时如何尽可能降低其对性能影响的初步结论，对实际的生产、应用具有指导意义。
吴俊峰、陈启明、朱晓农、田奇勇[5]利用三维数值模拟的CFD方法，对某型号离心通风机的内流特性进行了分析，找出其结构存在的问题，运用CFD方法对其叶轮结构进行了优化设计，将改进前后的内流特性进行了数值和试验对比。结果表明，通风机的叶轮形状对其性能有明显影响，在改动较小的情况下，可显著提高通风机性能。
冯新粮 郭津津[6]选取某一大比转速离心通风机为研究对象，分别以等边基元法、不等边基元法和阿基米德螺旋线方程法绘出蜗壳外型线。在三维建模软件CATIA中完成风机实体造型，用Fluent进行三维数值模拟，得到详细的风机内部流场。对比以上3种不同的蜗壳绘制方法对通风机流动性能的影响，对计算结果进行了分析并得出了结论。
赵红星、秦国良[7]介绍了离心通风机叶轮与主轴的联接方式，着重讨论了过盈配合下，两者过盈量的计算及配合公差的合理选取，推荐了采用分段过盈配合的设计思想，使得转子的安装与拆卸更加方便。
张师帅、秦松江、仇生生[8]采用CFD软件（FLUENT6．2）对空调用多翼离