便攜式呼吸裝置高速離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

宋家祺, 王 彤

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240, E-mail: twang@sjtu.edu.cn)

現(xiàn)有呼吸裝置的氣源一般包括兩類,氣罐式和壓縮空氣式。對(duì)于個(gè)人便攜式呼吸裝置,無論是滿足長時(shí)間醫(yī)用和防塵供氣的需要,壓縮空氣式是氣源裝置的首選。從便攜性要求出發(fā),氣源需要與呼吸裝置一體化,尺寸小、重量輕是首要條件,其次對(duì)氣源的氣動(dòng)性能以及結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的要求。因此在便攜式呼吸裝置的開發(fā)中,一般要求整機(jī)尺寸小于100 mm[1-2],流量范圍要盡可能廣,并在所有流量內(nèi)保持穩(wěn)定的壓力,即在所需要的流量范圍內(nèi),氣源裝置的壓力相對(duì)于目標(biāo)壓力變化不大于15%。

目前便攜式呼吸裝置的氣源裝置,根據(jù)其流量與壓升需求一般采用離心風(fēng)機(jī)機(jī)型;由于尺寸限制,在單級(jí)能力有限的情況下不得不使用多級(jí)風(fēng)機(jī)或渦輪疊加的方式[3-4]或者通過增大葉輪直徑的方式[5]來提高氣源裝置的性能。說明現(xiàn)有氣源動(dòng)力部件在單級(jí)情況下,無法同時(shí)滿足寬范圍流量工況和穩(wěn)定壓升的條件。

由于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)型難以實(shí)現(xiàn)小型化,而微渦輪雖然可以減少尺寸但是制作成本較高,研發(fā)適用于便攜式呼吸裝置氣源尚具有一定的技術(shù)難度。為了提高離心風(fēng)機(jī)的性能,國內(nèi)外普遍集中于離心風(fēng)機(jī)的葉型的進(jìn)出口角度以及流道尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-7],目前還沒有以風(fēng)機(jī)葉片角度分布為優(yōu)化參數(shù)的研究。

因此本文對(duì)于便攜式呼吸裝置的高速離心風(fēng)機(jī)的研發(fā),在保證其整機(jī)最大長度需在100 mm以內(nèi),葉輪外徑42 mm的條件下,基于呼吸裝置所需的性能以及各個(gè)參數(shù)的需求的問題進(jìn)行分析,采用Bezier曲線參數(shù)造型的方法并結(jié)合進(jìn)化算法,以葉片角度分布以及葉片出口安裝角為優(yōu)化參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)以及效率為尋優(yōu)目標(biāo)進(jìn)行多優(yōu)化設(shè)計(jì)[8],最后進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)性能測試來驗(yàn)證設(shè)計(jì)有效性。

1 小型高速離心風(fēng)機(jī)模型構(gòu)建

1.1 便攜式呼吸裝置的氣源性能需求

便攜式呼吸裝置一般可用于輔助性治療睡眠呼吸暫停綜合征,或者是為醫(yī)療救援時(shí)提供穩(wěn)定氣源等,因此呼吸裝置的性能需求在流量和升壓能力兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。流量的計(jì)算通過潮氣量(VT)與呼吸頻率的關(guān)系得到。潮氣量是指靜息狀態(tài)時(shí)每次吸入或呼出的氣量,成人的VT一般為(8～10)mL/kg,小兒VT通常為(6～10)mL/kg,呼吸頻率通常指的是每分鐘呼吸次數(shù),對(duì)一般成年人來說,其呼吸頻率為每分鐘15～18次呼吸,人們的呼氣的流量Q可以表示為Q=VT·f·m,f為呼吸頻率,m為標(biāo)準(zhǔn)體重。因此對(duì)于身高處于1.5 m～2.1 m的成年男性而言,呼氣的流量Q為5.88 L/min～16.38 L/min。根據(jù)楊敏等人[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn)人情緒緊張時(shí),呼吸量大,可達(dá)到為42.5 L/min,且發(fā)現(xiàn)成年人的呼吸量為(8～16)L/min,與計(jì)算貼合?？紤]到通氣裝置應(yīng)該放有一定的余量,因此所研發(fā)的適用于便攜式呼吸裝置的氣源流量范圍應(yīng)該為(0～60)L/min,其中設(shè)計(jì)工況流量點(diǎn)是Q=40 L/min。

對(duì)于呼吸裝置需求而言,其產(chǎn)生的壓力應(yīng)該處于(400～2 000)Pa之間。進(jìn)一步考慮過濾煙氣或是有毒空氣的功能,要加裝空氣過濾裝置,其壓損一般在500 Pa內(nèi)[10]。這樣可以確定呼吸裝置配氣源的最大壓升為2 500 Pa,考慮到壓力的波動(dòng)范圍不超過±15%,因此在工作流量下壓力范圍應(yīng)該是2 150 Pa～2 850 Pa。

1.2 小型風(fēng)機(jī)葉片參數(shù)化造型

在幾何外型受到限制的情況下,葉輪出口寬度也很小,僅有毫米級(jí),導(dǎo)致壁面摩擦效應(yīng)顯著,風(fēng)機(jī)流動(dòng)損失一般較大,需盡量選用高壓升系數(shù)的模型級(jí)?？紤]到6-18風(fēng)機(jī)特性,以其為原型進(jìn)行開發(fā)。在結(jié)構(gòu)方面,由于便攜式呼吸裝置結(jié)構(gòu)的限制,葉輪的外徑最大為D2=42 mm。為了提高風(fēng)機(jī)的通流能力,將葉輪的內(nèi)徑取為10.5 mm。該設(shè)計(jì)目標(biāo)的流量小于原型風(fēng)機(jī)的流量,為了保持葉片入口氣流的攻角,葉片的入口安裝角度β1A調(diào)整為27°。相較于普通風(fēng)機(jī)而言,小型高速離心風(fēng)機(jī)葉輪流道比較小,必須考慮由于葉片厚度帶來的流動(dòng)阻塞,因此為了防止流道入口處的堵塞,降低葉片的數(shù)量,因此葉片數(shù)量z為8。

▲圖1 參數(shù)化構(gòu)造葉片型線

本文采用Bezier曲線構(gòu)造原型機(jī)葉片的中弧線,通過改變參數(shù)來調(diào)整葉片中弧線的角度分布以及葉片出口安裝角,對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化。原型機(jī)的葉片中弧線如圖1所示,采用三次Bezier曲線擬合。O點(diǎn)為葉輪的中心,四個(gè)控制點(diǎn)的位置決定了曲線的形狀。優(yōu)化設(shè)計(jì)中,保持A0的位置不變,且保持葉片入口安裝角β1A=27°不變。葉片的角度分布由點(diǎn)A1、與O點(diǎn)的距離L1以及點(diǎn)A2與O點(diǎn)的距離L2決定,即β(L1,L2)。

1.3 數(shù)值模型構(gòu)建

數(shù)值模擬氣源風(fēng)機(jī)的性能需要構(gòu)造流道模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高數(shù)值模擬效率,在優(yōu)化的過程中選用單葉片流道模型,暫不考慮蝸殼性能影響。為了獲得考核葉輪升壓能力,在其出口接無葉擴(kuò)壓器以穩(wěn)定流動(dòng)。

圖2為流道入口段、葉片通道和無葉擴(kuò)壓器域的網(wǎng)格,均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。葉片通道網(wǎng)格由Turbogrid生成,葉片壁面處加密以便模擬近壁區(qū)流動(dòng)。湍流模型為k-ε模型[11],控制流道模型的y+不小于30,求解格式采用高階求解模式,收斂的殘差小于10-5,迭代總步數(shù)設(shè)為3 000。邊界條件設(shè)置為總壓入口[12],壓力為101 325 Pa,溫度為25 ℃,出口條件為流量參數(shù)。

▲圖2 各區(qū)域網(wǎng)格

2 基于數(shù)值分析的尋優(yōu)設(shè)計(jì)

對(duì)于便攜式呼吸裝置而言,其中核心的部分便是氣源動(dòng)力裝置,本文所研究的便攜式呼吸裝置的氣源動(dòng)力是由小型高速離心風(fēng)機(jī)提供的,因此將針對(duì)風(fēng)機(jī)部分進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)。

2.1 尋優(yōu)目標(biāo)

小型高速離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)存在著非線性以及多約束等問題,以全壓系數(shù)以及效率為優(yōu)化目標(biāo),其優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為:求X=[β(L1,L2),β2A],使得F(X)=f1(x)·ω1+f2(x)·ω2,ω1+ω2=1,F(X)最大化。其中f1(x)、f2(x)分別對(duì)應(yīng)全壓系數(shù)和多變效率,ω1、ω2分別為目標(biāo)的權(quán)重因子。

2.2 尋優(yōu)流程

為了使葉型的造型合理,且考慮到風(fēng)機(jī)的裝配尺寸,通過調(diào)控參數(shù)來確定合理的范圍,β2A=50°～70°,L1=0.33～0.69R2,L2=0.738～0.976R2,其中R2為葉輪半徑。是采用高級(jí)拉丁超立方取樣法(ALHS)[13]進(jìn)行取樣,生成三個(gè)變量的樣本空間。葉輪的設(shè)計(jì)基于ANSYS軟件搭建,批量生成葉輪的模型以及網(wǎng)格模型,并將其導(dǎo)入到CFX中進(jìn)行數(shù)值模擬以獲得優(yōu)化過程中模型的總壓以及效率,建立樣本數(shù)據(jù)庫。

▲圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程框圖

2.3 尋優(yōu)結(jié)果

圖4為風(fēng)機(jī)在27 000 r/min的轉(zhuǎn)速下優(yōu)化后的Pareto前沿解,由圖可以看出Pareto前沿的效率范圍是0.54-0.62,全壓系數(shù)范圍為1.14-1.18。由Pareto前沿中取得一個(gè)最優(yōu)值方案為方案A,若將ω2取1,ω1取0則獲得效率最大的解,該設(shè)計(jì)點(diǎn)為方案B,以此作為對(duì)比。表1為兩個(gè)方案的數(shù)據(jù)。

表1 優(yōu)化后的葉片參數(shù)

▲圖4 Pareto前沿解

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 性能結(jié)果分析

在27 000 r/min轉(zhuǎn)速下,對(duì)二個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的性能進(jìn)行數(shù)值模擬。圖5和圖6為設(shè)計(jì)方案A、B的全壓系數(shù)曲線和效率曲線。由二圖可以看出,大部分流量下方案B的效率高于方案A,但并不明顯;而就升壓能力而言,方案A則整體優(yōu)于方案B。此外,設(shè)計(jì)方案A的全壓系數(shù)曲線相比較方案B更加的穩(wěn)定。

▲圖5 全壓系數(shù)曲線

▲圖6 效率曲線

3.2 升壓特性分析

圖7和圖8分別為A、B方案在相對(duì)設(shè)計(jì)流量下的中間葉高處截面的總壓云圖。從圖8中可以看出流體在葉片前緣的繞流形成了低壓區(qū),削弱了流體的局部分離的趨勢,流道內(nèi)的壓力分布合理,壓力面大于吸力面。在葉輪吸力面的進(jìn)口位置葉輪內(nèi)部壓力最小,在葉片尾緣處壓力最大,且隨著流量的增大,葉片尾緣處的局部高壓區(qū)逐漸減小,在設(shè)計(jì)流量Q下,方案B的區(qū)域更加明顯。

▲圖7 方案A-50%葉高處總壓分布

▲圖8 方案B-50%葉高處總壓分布

3.3 葉輪強(qiáng)度校驗(yàn)

由于高速旋轉(zhuǎn)葉輪故障發(fā)生率高,因此針對(duì)葉輪的強(qiáng)度以屈服極限為校核的基準(zhǔn)。對(duì)A方案葉輪實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格造型,基于有限單元法進(jìn)行強(qiáng)度分析,邊界條件為輪轂處施加全約束,轉(zhuǎn)速為27 000 r/min。圖9和圖10分別為材料為鋁合金與塑料的葉輪的Von Mises應(yīng)力云圖。由圖9和圖10應(yīng)力分布可知,鋁合金材料的葉輪最大應(yīng)力為9.23 MPa,遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服強(qiáng)度370 MPa;材質(zhì)為塑料的葉輪最大應(yīng)力為4.60 MPa,亦遠(yuǎn)小于塑料的屈服強(qiáng)度46.71 MPa。綜上所述,葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足了強(qiáng)度要求。

▲圖9 鋁合金葉輪Von Mises應(yīng)力云圖

▲圖10 塑料葉輪Von Mises應(yīng)力云圖

4 實(shí)驗(yàn)性能的驗(yàn)證

4.1 樣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)

▲圖11 樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)管路

經(jīng)過氣動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校驗(yàn)后,選用鋁合金材料進(jìn)行樣機(jī)制造,由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。參照《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[14]做進(jìn)出口風(fēng)管性能測試,實(shí)驗(yàn)管路布置如圖11所示,包括進(jìn)口流量噴嘴、進(jìn)出口管道壓力測點(diǎn)和調(diào)節(jié)流量的出口閥門。

實(shí)驗(yàn)測試時(shí),從閥門全開狀態(tài),即最大流量開始測試,逐漸關(guān)閉出口閥門減小其流量,直到閥門關(guān)閉,得到整個(gè)流量工況下的性能曲線,如圖12所示。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速27 000 r/min,由圖12的性能曲線可以看到,在整個(gè)流量工況范圍內(nèi),樣機(jī)的壓升平穩(wěn)隨流量的變化不大,其壓力波動(dòng)小于15%,在(0-60)L/min流量范圍內(nèi)處于(2 250～2 850)Pa之間;在設(shè)計(jì)點(diǎn)40 L/min,壓升達(dá)到了2 780 Pa,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

▲圖12 便攜呼吸裝置的流量—壓升的曲線

4.2 數(shù)值性能結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)樣機(jī)的整機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值模擬,采用全葉輪通道結(jié)合蝸殼流道[15],計(jì)算方法與單葉片通道一致,其性能結(jié)果也呈現(xiàn)在圖12中。

從圖12可見,整機(jī)的性能數(shù)值模擬結(jié)果,無論是流量工況范圍還是升壓能力,均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合,說本文基于數(shù)值模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可靠的,數(shù)值模擬性能可信。

樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)性能與數(shù)值模擬性能均驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性,該樣機(jī)完全可以為便攜式呼吸裝置提供穩(wěn)定可靠的氣源。

4.3 樣機(jī)變轉(zhuǎn)速性能測試

采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,在12 000 r/min～30 000 r/min可以得到壓升的無量綱性能曲線,如同13所示,各轉(zhuǎn)速下壓升系數(shù)變化規(guī)律幾乎完全一致。在30 000 r/min時(shí),該樣機(jī)最高能達(dá)到流量為78 L/min,最大壓升為4 kPa。這說明所設(shè)計(jì)的樣機(jī)工作特性穩(wěn)定,可以根據(jù)不同的呼吸裝置需求,獲得所需要的流量與壓升。

5 結(jié)論

基于便攜式呼吸裝置的性能需求,本文對(duì)其中的氣源部件進(jìn)行研發(fā)。該便攜式呼吸裝置的流量范圍是(0～60)L/min,靜壓升為2 500 Pa且壓力波動(dòng)不超過15%。相應(yīng)研究結(jié)論如下:

▲圖13 無量綱性能曲線

(1) 采用三階Bezier曲線對(duì)葉片的中弧線進(jìn)行參數(shù)化構(gòu)造,以葉片出口安裝角以及葉片角度分布為優(yōu)化的依據(jù),不僅避免了產(chǎn)生的不合理的葉型,還能夠完成參數(shù)設(shè)置以及數(shù)值分析的一體化過程,簡化了適用于呼吸裝置的高速離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

(2) 基于GB/T1236—2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試,所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于便攜式呼吸裝置的高速離心風(fēng)機(jī),在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下能在工作流量內(nèi)滿足便攜式呼吸裝置壓力的需求,驗(yàn)證了該方法的可靠性,可以用于產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的需求,可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來進(jìn)行匹配用戶的參數(shù)。