緊湊型兩級混流風機的改進設計與數(shù)值模擬研究*

陳鑫 吳大轉 嚴鵬 武鵬/浙江大學化工機械研究所

李志峰/寧波方太廚具有限公司

緊湊型兩級混流風機的改進設計與數(shù)值模擬研究*

陳鑫 吳大轉 嚴鵬 武鵬/浙江大學化工機械研究所

李志峰/寧波方太廚具有限公司

為滿足特定條件下對風機尺寸和性能的綜合要求，應用數(shù)值模擬方法對一緊湊型兩級混流風機的改進設計進行了研究。首先，以單級葉輪為對象，對在一定外形尺寸下增大風機風量和風壓的改進方法進行了研究。而后，對風機特性曲線產(chǎn)生駝峰的原因及內(nèi)流機理進行了分析，并給出了一種新的消除駝峰的方法。最后，對改進設計的兩級混流風機的性能進行了數(shù)值模擬驗證。結果表明：改進設計的兩級混流風機結構緊湊，綜合氣動性能高，且在全工況下運行穩(wěn)定；在改進設計中，增大子午面的流道寬度，風機的整體風量將顯著增大；通過葉輪hroud流面葉片型線前旋的方法，可以在保證混流風機大流量工況效率不變的前提下消除駝峰。

兩級混流風機；改進設計；數(shù)值模擬；駝峰現(xiàn)象

0 引言

風機作為一種通用機械，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中有著廣泛的應用。隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，實際應用中對風機的要求也在不斷提高，優(yōu)秀的風機往往需要兼?zhèn)錃鈩有阅芨?、噪聲低、結構緊湊、運行穩(wěn)定等特點。

本文風機要求：設計風量10m3/min下風機全壓450Pa，最大風量17.5m3/min，轉速不高于2 000r/min，并盡可能降低；風機最大直徑小于320mm，軸向長度不大于500mm；同時，結構滿足軸向入流、軸向出流的要求。

根據(jù)上述性能要求，本文設計風機比轉速為46.3，相當于泵比轉速196.9，適合于采用離心式結構[1]。但離心風機流量系數(shù)較小，難以達到設計要求的最大風量。因此，在綜合考慮風機結構尺寸及性能要求的基礎上，本文采用了兩級混流式的風機結構，在滿足結構尺寸要求的同時，可以實現(xiàn)低轉速下大風量、高風壓的要求。

本文的研究方法主要采用基于CFD方法的數(shù)值模擬。目前，運用CFD方法對流體機械內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，為研究和設計提供指導，已經(jīng)成為一種重要的技術手段[2]。在風機的設計與研究中，數(shù)值模擬方法得到了廣泛的應用，其可靠性也得到了充分的驗證[2-9]。

根據(jù)風機的性能要求，本文對一種兩級混流風機進行了改進設計，并對提高混流風機氣動性能的改進方法、風機特性曲線的駝峰現(xiàn)象以及消除方法進行了討論。

1 風機模型

1.1 幾何模型

在改進設計之前，首先選取文獻[10]中的兩級混流風機作為模型風機。表1所示為模型風機及本文最終改進設計風機的幾何與性能參數(shù)，兩者的流道幾何模型如圖1所示。

由圖1、表1可以看出，模型風機與改進設計風機結構相似，主要由兩級葉輪、級間導葉、出口導葉及進、出口管六部分組成，而改進設計的風機結構更加緊湊，性能更優(yōu)。

表1 風機幾何與性能參數(shù)表

圖1 風機幾何模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分與無關性驗證

由于本文風機模型較多，但不同風機模型的結構、尺寸較為接近，對其一一進行網(wǎng)格無關性驗證浪費大量計算資源和時間，也無必要。因此，網(wǎng)格無關性驗證取模型風機等比例放大2.25倍的風機模型進行。

采用四種尺度的網(wǎng)格劃分方案對2.25倍風機模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方案見表2，無關性驗證結果如圖2所示。

表2 網(wǎng)格劃分方案表

圖2 網(wǎng)格無關性驗證結果圖

由圖2可見，當葉輪網(wǎng)格數(shù)增加到84萬以后，再增大網(wǎng)格數(shù)量，風機全壓的計算值變化小于0.5％，說明網(wǎng)格數(shù)量對計算結果基本不再產(chǎn)生影響。因此，綜合考慮計算精度和計算成本，選擇方案3對本文所有風機模型進行網(wǎng)格劃分。方案3的各區(qū)域網(wǎng)格尺寸見表3。

表3 網(wǎng)格劃分方案3各區(qū)域網(wǎng)格尺寸表

2 數(shù)值計算方法與邊界條件

本文應用商業(yè)CFD軟件Fluent求解風機內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)不可壓的雷諾時均方程，方程封閉采用realizable k-ε湍流模型。風機的動、靜區(qū)域采用多參考坐標系（MRF）模型進行模擬。壓力基耦合方式采用SIMPLEC方法，梯度插值采用Least Squares Cell-Based方法，壓力的插值采用Standard方法，動量、湍動能、湍動能耗散率對流項插值方法均采用二階迎風格式。邊界條件采用速度進口、壓力出口，出口壓力設置為標準大氣壓，壁面采用無滑移邊界條件。

3 氣動性能改進

3.1 基礎模型

改進設計的基礎風機模型由所選的模型風機（相關參數(shù)見表1）經(jīng)過相似換算得到。在相似換算時，取設計風機的轉速為轉速上限2 000r/min，全壓為500Pa，由此計算出尺寸系數(shù)λ=2.25。因此，將模型風機等比例放大得到的2.25倍風機模型理論上設計全壓為500Pa。另外，2.25倍風機模型最大直徑為322mm，與設計風機的尺寸要求較為接近。但在此尺寸系數(shù)下，由相似定律計算出的設計風機的設計風量僅為8.05 m3/min。因此，需要對模型風機等比例放大2.25倍的風機模型進行增大風量的改進設計。同時，設計風機轉速取為轉速上限，而風機的氣動噪聲性能與轉速直接相關。因此，為降低轉速、保證風機的氣動噪聲性能，還需要對風機進行增大風壓的改進設計。

根據(jù)以上分析，選擇2.25倍風機模型作為改進設計的基礎模型。為確定其性能，對其轉速2 000r/min下的不同流量工況進行數(shù)值模擬，得到其特性曲線如圖3所示。

圖3 基礎風機模型整機特性曲線圖

由圖3可見，基礎風機模型最高效率點流量約為8.5m3/min，設計風量10m3/min下全壓330Pa，最大風量13m3/min（取靜壓為零時流量）。數(shù)值模擬得到的性能結果與相似定律計算的結果一致?；A風機模型最高效率點流量偏小，大風量下風壓較低，最大風量較小，首先要對其進行增大風量的改進設計。

3.2 增大風量

風機的通流能力受流道面積的影響，增大葉輪子午面的流道寬度理論上可以提高風機的整體風量。因此，應用商用軟件ANSYS的交互式渦輪機械葉片設計工具CFX-BladeGen對基礎模型的葉輪子午面型線進行調整，設計了三組結構改進方案，如圖4所示。

圖4（a）所示為基礎模型的葉輪子午面。圖4（b）中，實線表示改進方案A葉輪的子午面型線，虛線表示基礎模型的Hub流面型線；同樣，圖4（c）、（d）中的虛線也分別表示前一改進方案葉輪的相應子午面型線。由圖4可見，相比基礎風機模型，方案A葉輪Hub流面的直徑減小了5mm，子午面流道寬度相應增大。在方案A的基礎上，方案B，C葉輪軸向長度縮短了29mm，葉輪出口Hub流面直徑減小，葉輪進口Shroud流面直徑增大，子午面流道寬度進一步增大。在應用BladeGen對葉輪子午面型線進行調整時，除改進方案B、C的葉片出口邊隨葉輪軸向長度縮短而向進口移動了一定距離外，葉輪的其它結構參數(shù)未做特殊改動，并與基礎模型保持一致。

由于上述改進設計僅針對風機葉輪，為便于分析，數(shù)值模擬也僅取單級葉輪進行。其中，改進方案B的單級葉輪計算模型如圖5所示。分別對各改進方案單級葉輪轉速2 000r/min下不同流量的5個工況進行數(shù)值模擬，得到其特性曲線如圖6所示。

圖4 葉輪增大風量改型方案圖

圖5 單級葉輪計算模型

圖6 單級葉輪特性曲線圖

由圖6（a），基礎風機模型單級葉輪的最高效率點流量接近8.5m3/min，設計風量10m3/min下葉輪全壓235Pa，最大風量15.5m3/min，與圖3中基礎風機模型的計算結果基本一致。由圖6（a）、（b），相比基礎風機模型，改進方案A大流量點的風壓和效率顯著提高。而由6（b）、（c）、（d），由于流道大幅變寬，改進方案B，C單級葉輪的最高效率點明顯移向大流量，小流量下風壓基本不變，大流量下風壓顯著提高，風壓-流量特性曲線整體變平。另外，改進方案B，C的葉輪軸向長度縮短后，各改進方案的特性曲線隨子午面流道寬度增大的變化趨勢保持不變，說明葉輪軸向長度變化對特性曲線的影響不大。

因此，通過增大葉輪子午面的流道寬度，單級葉輪的整體風量明顯增大，最高效率點移向大流量，大流量下的風壓和效率顯著提高，改進設計實現(xiàn)了增大風機風量的目的。

3.3 增大風壓

為實現(xiàn)降低風機轉速、進而降低噪聲的目的，應盡量提高風機設計轉速下的風壓。在一定轉速下，為提高風壓，可以增大葉輪的葉片出口安裝角和出口直徑。因此，在改進方案C的基礎上，增大其葉片出口安裝角，同時將葉片出口邊向出口方向后移10mm，得到改進方案D。兩種改進方案葉輪的葉片出口安裝角見表4，葉片安裝角沿流線的分布如圖7所示，二者的葉片出口邊位置如圖8所示。

表4 葉輪葉片出口安裝角表

圖7 葉輪葉片安裝角分布圖

圖8 葉輪葉片出口邊位置圖

對改進方案D單級葉輪不同流量下的工況進行數(shù)值模擬，得到其特性曲線如圖9所示。

圖9 改進方案D單級葉輪特性曲線圖

由圖9可知，改進方案D增大葉輪葉片出口直徑和葉片出口安裝角后，單級葉輪的風壓明顯提高。同時，由于葉片出口安裝角增大，葉片間流道變短、變直，對大流量下流動有利，單級葉輪最高效率點向大流量移動，最高效率有所提高。另外，可以注意到，改進方案D單級葉輪的風壓-流量特性曲線出現(xiàn)了明顯的馬鞍形駝峰，這對風機的運行穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響，后文對此將進行詳細討論。

4 駝峰與消除

4.1 產(chǎn)生原因

性能曲線的駝峰現(xiàn)象通常在低比轉速的離心泵、離心風機中較為常見，對于駝峰的相關研究也主要是針對離心泵或風機[11-15]。

首先，低比轉速的泵、風機性能曲線較平，容易產(chǎn)生駝峰。另外，對于低比轉速的離心泵或風機，工程設計中通常采用增大流量以提高效率的設計方法[11]。這將造成離心泵或風機小流量工況下的沖擊損失增大，風壓和效率下降，從而導致性能曲線出現(xiàn)駝峰[12]。

本文對風機增大風量的改進設計，使得風機最高效率點偏向大流量，小流量下沖擊損失增大，對駝峰的產(chǎn)生有直接的作用。另外，本文改進方案D增大了葉輪葉片出口安裝角，其理論風壓-流量特性曲線將更接近水平，實際風壓-流量曲線也更容易產(chǎn)生駝峰。

當風機的特性曲線存在駝峰時，在駝峰的上升段，風機無法穩(wěn)定運行。因此，對于工作流量范圍包含駝峰上升段的風機，駝峰是必須要消除的。

4.2 內(nèi)流機理

為了解駝峰產(chǎn)生的流動機理，從而找出合理的消除方法，有必要對小流量下風機葉輪內(nèi)部的流場進行分析。對于改進方案D，流量為7.5m3/min時，單級葉輪特性曲線剛好位于馬鞍形駝峰的極小值點，其流場可以代表說明小流量下的流動特點。因此，本節(jié)選取改進方案D7.5m3/min流量下的葉輪內(nèi)部流場進行分析，得到其子午面流線圖、進口截面速度矢量圖分別如圖10、11所示。

圖10 改進方案D小流量下葉輪子午面流線圖

圖11 改進方案D小流量下葉輪進口速度矢量圖

由圖10可以看出，小流量下風機葉輪內(nèi)部流動混亂。在葉輪進口處及葉輪流道內(nèi)，靠近Shroud流面的空間被回流渦占據(jù)，主流收縮至靠近Hub流面的中心區(qū)域。在葉輪出口處，Hub流面附近出現(xiàn)了較大的旋渦，主流被擠壓至流道的上部空間。而由圖11，在葉輪進口處圓截面的中心區(qū)域，氣流的環(huán)向速度和徑向速度都接近為零，說明氣流在此處沿軸向進入葉輪。而在圓截面外側靠近Shroud流面的區(qū)域，氣流存在較大的環(huán)向速度，可見此處存在著繞軸的環(huán)流渦，環(huán)流渦方向與葉輪轉向一致。這表明，小流量下的風機葉輪內(nèi)部發(fā)生了嚴重的旋轉失速。失速現(xiàn)象的發(fā)生將導致風機小流量下的效率降低、風壓顯著下降，從而使得風機特性曲線出現(xiàn)駝峰。

4.3 傳統(tǒng)消除方法

對于消除駝峰的方法，國內(nèi)外已有許多成功的研究與實踐。根據(jù)文獻[13-14]，通過減少葉片數(shù)、減小葉輪出口寬度以及調整葉片進口安裝角等方法，可以減小甚至消除駝峰，但這些方法均會導致大流量下風壓和效率的下降。而受到風機尺寸的限制，減小葉片出口安裝角、增大葉輪直徑的方法也不適合。

而對于在葉輪進口設置整流導葉或隔板的方法，經(jīng)驗證，其僅適合于離心泵或風機，對混流風機則效果有限。其原因是，離心泵或風機小流量下的回流渦集中于葉輪進口，流道內(nèi)部基本沒有回流渦[15]。因此，通過在葉輪進口處設置整流隔板的方法，可以破壞葉輪進口的環(huán)流旋渦結構，從而減小流動損失，提高風機小流量下的風壓和效率。而根據(jù)圖10所示，混流風機小流量下的回流渦有很大部分分布在葉輪流道內(nèi)和出口處。因此，在葉輪進口設置整流隔板的方法對混流風機消除駝峰作用不大。

4.4 葉輪Shroud流面葉片型線前旋的方法

根據(jù)混流風機小流量下的流場特點，本節(jié)提出了一種新的消除駝峰的方法。如圖12所示，這種方法是將葉輪各流面的葉片型線在圓周方向的相位角作適當調整，即將葉輪Shroud流面的葉片型線沿葉輪旋轉方向前旋一定角度，Hub流面葉片型線相位角保持不變，中間各流面的葉片型線按線性插值前旋相應角度，從而改變其堆疊構成的葉片型面的形狀，以消除駝峰。圖12（a）所示為葉輪圓周方向的相位角坐標，X軸為相位角0°，Y軸為相位角90°（角度正方向與葉輪旋轉方向一致）。此坐標下，如圖12（b）所示，Shroud流面葉片型線無前旋的葉輪：Shroud和Hub流面的葉片型線進口處的相位角均為60°；Shroud流面的葉片型線出口處的相位角為-8.5°。而如圖12（c）、（d）所示，Shroud流面葉片型線分別前旋10°，30°后，Shroud流面葉片型線進口處的相位角相應變?yōu)?0°，90°，出口處相位角變?yōu)?.5°，21.5°。

圖13所示為葉輪Shroud和Hub流面的葉片型線沿流線的相位角分布。由圖13可以清楚看出，Shroud流面葉片型線前旋不同角度的葉輪：Hub流面的葉片型線形狀和位置均保持不變；Shroud流面的葉片型線形狀保持不變，僅相位角整體增大，即沿圓周方向旋轉了相應的角度；各流面的葉片型線包角也保持不變。

圖12 葉輪Shroud流面葉片型線前旋示意圖

圖13 葉輪葉片型線相位角分布

根據(jù)上述方法，選擇不同的旋轉角度可以得到不同的葉輪模型。為簡化分析，對這些模型僅取7.5m3/min和15m3/min兩個流量工況進行數(shù)值模擬，結果如圖14所示。

圖14 不同前旋角度單級葉輪性能對比

由圖14，隨著Shroud流面葉片型線前旋角度的增大，葉輪大流量下的全壓降低，小流量下的全壓略有提高。當前旋角度增大至30°時，7.5m3/min和15m3/min兩流量下的葉輪全壓基本相等，駝峰上升段消失，可以認為整個特性曲線上的駝峰基本消除。另外，隨著前旋角度的增大，小流量下效率明顯提高，大流量下效率則基本不變。因此，通過調整葉輪各流面葉片型線在圓周方向的相位角，改變?nèi)~片型面的堆疊構型，使葉輪Shroud流面葉片型線前旋的方法，可以在保證大流量工況效率不變的前提下消除駝峰。

5 整機性能驗證

通過以上設計改進，風機葉輪逐步具備了設計預期的性能。而后，根據(jù)風機葉輪進、出的結構尺寸和設計工況下的速度三角形，對兩級混流風機的級間導葉和出口導葉進行了三元流設計。并將導葉形式由軸向導葉設計為空間導葉，從而減小了導葉的軸向長度，使得風機結構更加緊湊。

在完成風機各個部件的設計后，對改進設計的兩級混流風機（相關參數(shù)見表1）轉速1 600 r/min下不同流量的各工況進行數(shù)值模擬，得到其特性曲線如圖15所示。

圖15 改進設計風機整機特性曲線圖

由圖15可見，改進設計的兩級混流風機在設計風量10m3/min下全壓接近500Pa，最大風量大于17.5m3/min，與基礎風機模型相比，整體氣動性能有了大幅提升。同時，設計風機具有較寬的高效區(qū)，在流量9～15m3/min范圍內(nèi)，效率均高于60％，最高效率達到77.2％。另外，改進設計的風機轉速降低為1 600r/min，有利于保證風機的噪聲性能。最后，改進設計的風機風壓-流量曲線未出現(xiàn)駝峰，風機在全工況下均可穩(wěn)定運行。

6 結論

本文應用數(shù)值模擬方法對一緊湊型兩級混流風機的改進設計進行了研究，得出了以下主要結論：

1）改進設計的兩級混流風機具有結構緊湊、綜合氣動性能高、全工況運行穩(wěn)定的特點，滿足風機設計的要求，在特定應用條件下具有優(yōu)勢，可為相關風機設計提供參考。

2）在性能改進設計中，增大葉輪子午面的流道寬度，風機的整體風量將顯著增大。

3）在葉輪進口設置整流隔板以消除駝峰的方法，僅適合于離心泵或風機，對混流風機作用不大。

4）通過調整葉輪各流面葉片型線的相位角，而使葉輪Shroud流面葉片型線前旋的方法，可以在保證混流風機大流量工況效率不變的前提下消除駝峰。

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Improvement Design and Numerical Simulation of a Compact Two-stage Mixed-flow Fan

Chen Xin,Wu Da-zhuan,Yan Peng,Wu Peng/InstituteofProcessEquipment, Zhejiang University
Li Zhi-feng/Ningbo FOTILE Kitchen ware Co.,Ltd.

In order to meet the requirements of the fan under certain conditions in both size and performance,the improvement design of a compact two-stage mixed-flow fanwasstudiedbythenumerical simulationmethod.Firstly,the improvement method of increasing the fan' s air flowrate and air pressure in certain dimensions was studied by taking single impeller as improving object.Then,the causes and internal mechanism of the hump on the fan's characteristic curve were analyzed.Based on these,a new means to eliminate the hump was given. Finally,performanceofthedesigned two-stage mixed-flow fan was verified by numerical simulation.Results show that: the improved two-stage mixed-flow fan has compact structure and high aerodynamic performance,and can run steadily under all flowrate conditions.In the improvement design,increasing the width of meridional flow passage,the fan's overall air flowrate will significantly increase.By means of the blade profile in shroud surface of impellor being forward rotated,the hump can be eliminatedwithoutefficiencydecrease under large flowrate.

two-stage mixed-flow fan; improvement design;numerical simulation; hump phenomena

TH432.2；TK05

A

1006-8155（2016）02-0054-08

10.16492/j.fjjs.2016.02.0138

浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點實驗室新型油煙機開發(fā)基金項目（N02014E10014）

2015-10-08浙江杭州310027