葉片數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能影響的分析?

李 輝 王 軍 周水清 胡修柏 熊官政 徐天賜

（1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.浙江朗迪集團(tuán)股份有限公司）

葉片數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能影響的分析?

李 輝1王 軍1周水清1胡修柏2熊官政2徐天賜2

（1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.浙江朗迪集團(tuán)股份有限公司）

多翼離心風(fēng)機(jī)流道窄，葉片數(shù)分布多，壓力系數(shù)及流量系數(shù)大。葉片弦長(zhǎng)短、數(shù)目多，導(dǎo)致稠度大，這種風(fēng)機(jī)內(nèi)部滑移系數(shù)有別于其他類型離心風(fēng)機(jī)?？茖W(xué)合理的設(shè)計(jì)葉片數(shù)，會(huì)使多翼離心風(fēng)機(jī)得到好的尾跡流場(chǎng)分布。為了研究稠度對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響。本文選取三種不同葉片數(shù)目的葉輪作為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值仿真手段，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)及外部特性展開研究，研究結(jié)果表明：有48片葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)，具有較好的內(nèi)流分布及外部特性，最后通過(guò)性能試驗(yàn)對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

多翼離心風(fēng)機(jī)；性能；葉片；數(shù)值模擬

0 引言

多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)遵循工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及變量眾多，且有部分變量?jī)H推薦了取值范圍，沒(méi)有精確取值計(jì)算方法，這給設(shè)計(jì)開發(fā)帶來(lái)不確定性，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)調(diào)整參數(shù)，才可得到滿足性能要求的風(fēng)機(jī)?，F(xiàn)今，CFD技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1-2]也指出應(yīng)用CFD技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)多翼離心風(fēng)機(jī)是可行的。在對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行CFD分析之前，快速得到風(fēng)機(jī)三維模型將有助于節(jié)省時(shí)間，縮短開發(fā)周期。

多翼離心風(fēng)機(jī)直徑比大，流道窄，往往葉片數(shù)分布較多。葉片弦長(zhǎng)短，流道常存在橫向旋渦影響，葉片尾緣出口速度分布不均勻性較強(qiáng)。為了研究葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響，本文針對(duì)某款雙吸多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)三種不同葉片數(shù)的風(fēng)機(jī)模型，開展數(shù)值與試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)比分析，探討葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響。

1 風(fēng)機(jī)模型

本文研究用的多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，根據(jù)葉片數(shù)基本公式[3]Z=πD1(0.7-1)-1R-1，可知葉片數(shù)選取范圍為40～48片。

圖1 風(fēng)機(jī)葉輪模型Fig.1 Impeller of multi-blades centrifugal fan

被研究的風(fēng)機(jī)采用前后雙吸進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200r/min，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。為了下文討論方便，分別將48片、40片與45片葉輪風(fēng)機(jī)，記為A風(fēng)機(jī)、B風(fēng)機(jī)及C風(fēng)機(jī)。

表1 風(fēng)機(jī)葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of impeller

2 網(wǎng)格及邊界條件

對(duì)風(fēng)機(jī)建立三維流場(chǎng)網(wǎng)格模型，應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)模型進(jìn)行定常CFD數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)內(nèi)、外部特性，分析不同葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。風(fēng)機(jī)中兩個(gè)垂直轉(zhuǎn)軸的縱向中截面如圖2所示。

圖2 兩個(gè)縱向中截面的位置示意圖Fig.2 Two vertical middle sections

采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉輪進(jìn)出口邊、葉輪壁面及蝸殼動(dòng)靜耦合區(qū)進(jìn)行邊界層加密處理，網(wǎng)格Y+小于50。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，劃分葉輪網(wǎng)格數(shù)量為5 422 520，蝸殼網(wǎng)格數(shù)量為1 386 250，整體計(jì)算域網(wǎng)格為8 211 350。

計(jì)算采用的湍流模型選取k-ε標(biāo)準(zhǔn)方程模型，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能、動(dòng)量方程都采用二階迎風(fēng)格式離散；計(jì)算方法采用SEGREGATD隱式方法[4]；根據(jù)多翼離心風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況給定葉輪進(jìn)口大氣壓和湍流強(qiáng)度及水力直徑邊界條件[5-6]；蝸殼出口給定出口靜壓0Pa邊界條件[7-9]；葉輪選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，蝸殼選用靜止坐標(biāo)[10-11]，給定標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖3和圖4中靜壓分布云圖可以看出在第一、二節(jié)截面上，三個(gè)葉輪壓力分布的共同點(diǎn)是：在徑向方向上，隨半徑增大壓力升高；由于蝸殼損失的存在，氣流總壓由蝸殼內(nèi)側(cè)向外側(cè)呈遞減趨勢(shì)。而當(dāng)葉片數(shù)為48時(shí)，中截面上蝸殼內(nèi)側(cè)壓力等值線分布相比其它而言比較均勻。此外，三種葉輪在蝸舌附近均存在一個(gè)全壓高的小區(qū)域，對(duì)出流有一定影響。仿真結(jié)果表明，葉片數(shù)為48的葉輪蝸舌區(qū)域，高靜壓區(qū)域較小，靠近蝸舌區(qū)域流道流動(dòng)狀況比其它葉輪的好，蝸殼靠出口處的出流狀況也好些，因而，在出口全壓相同時(shí)，48片的葉輪擁有更好的氣動(dòng)性能。

從所給的流線分布圖5和圖6可以看出，在第一節(jié)和第二節(jié)截面上，三種葉輪具有相似的內(nèi)部流動(dòng)狀況：靠近蝸舌的葉片流道內(nèi)氣流的流動(dòng)比較紊亂，而相對(duì)而言，在葉輪圓周的其他部位，流動(dòng)情況則更好一些。這主要是氣流在接近蝸舌的流道中出流受到蝸舌的阻塞，導(dǎo)致該區(qū)葉道以及葉輪進(jìn)口部位的流動(dòng)變得復(fù)雜，出現(xiàn)明顯的進(jìn)口旋渦，在大流量時(shí)甚至出現(xiàn)氣流由蝸殼返流至葉輪進(jìn)口。

三種葉輪在靠近蝸舌區(qū)域的流道中的二次渦最大，出口圓周上的氣流速度大小分布很不均勻。雖然各葉輪的多數(shù)流道中都有二次渦存在，但是相比之下，葉片數(shù)為48的葉輪流道中的旋渦要小一些，葉輪出口圓周上的速度值大一些，因此，在出口靜壓相同時(shí)，此葉輪的出風(fēng)量要大一些。

圖3 三種風(fēng)機(jī)第一節(jié)葉輪垂直轉(zhuǎn)軸中截面的靜壓分布云圖Fig.3 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotatingaxisofthefirstsectionimpellerinthethree fans

圖4 三種風(fēng)機(jī)第二節(jié)葉輪垂直轉(zhuǎn)軸中截面的靜壓分布云圖Fig.4 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the second section impeller in the three fans

圖5 三種風(fēng)機(jī)第一節(jié)葉輪垂直轉(zhuǎn)軸中截面的流線分布圖Fig.5 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the first section impeller in the three fans

圖6 三種風(fēng)機(jī)第二節(jié)葉輪垂直轉(zhuǎn)軸中截面的流線分布圖Fig.6 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the second section impeller in the three fans

由數(shù)值模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)得出A，B和C三種結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的全壓-流量性能曲線，和效率-流量曲線，分別如圖7、圖8所示。從圖7可以看出，三種風(fēng)機(jī)全壓都隨流量呈單調(diào)遞減規(guī)律變化。在整個(gè)流量范圍內(nèi)，A型結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)全壓高于B型和C型風(fēng)機(jī)。整體而言，在設(shè)計(jì)流量下，B型和A型結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)全壓較為接近。從圖8可以看出，三種風(fēng)機(jī)效率都隨流量呈單調(diào)遞減規(guī)律變化。在整個(gè)流量變化范圍內(nèi)，A型結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的效率略高于B型和C型風(fēng)機(jī)；整體而言，在設(shè)計(jì)流量下，A型和B型結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的效率較為接近。

圖7 全壓-流量曲線圖Fig.7 Characteristic curve of total preasure versus flow of the fans

圖8 效率-流量曲線圖Fig.8 Characteristic curve of efficiency versus flow of the fans

4 試驗(yàn)分析

分別對(duì)A，B，C三款風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性?？諝鈩?dòng)力性能試驗(yàn)方法以GB/T1263-2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)—用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)[5]為依據(jù)。試驗(yàn)類型為C型試驗(yàn)，流量測(cè)量方法為錐形進(jìn)口噴嘴，功率測(cè)量方法為電測(cè)法。試驗(yàn)裝置結(jié)果示意圖如圖9所示。

圖9 風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.9 Fan experiment on site

由圖10和圖11三種風(fēng)機(jī)外特性曲線可以得出：全壓-流量曲線實(shí)驗(yàn)值與模擬值在運(yùn)行流量范圍內(nèi)（5 200～7 500m3/h），基本一致，最大誤差為6.11%；效率-流量曲線試驗(yàn)值與模擬值在運(yùn)行流量范圍內(nèi)，基本一致，最大誤差為6.67%。故可以認(rèn)為在運(yùn)行流量范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠很好的模擬真實(shí)的流動(dòng)狀況。因此，葉片數(shù)為48片時(shí)，在對(duì)應(yīng)的流量工況下，全壓和效率都較高，具有最佳氣動(dòng)性能。

圖10 全壓-流量性能對(duì)比曲線圖Fig.10 Characteristic comparison curve of total preasure versus flow of the fans

圖11 效率-流量性能對(duì)比曲線圖Fig.11 Characteristic comparison curve of efficiency versus flow of the fans

5 結(jié)論

1）采用CFD數(shù)值仿真技術(shù)，分析葉片數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)流動(dòng)特征及性能影響，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真合理性。

2）分析葉片數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能影響，經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)表明，葉片數(shù)對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能存在較大影響，在設(shè)計(jì)流量工況下，當(dāng)葉片數(shù)為48片時(shí)，氣動(dòng)性能最佳。

3）結(jié)合數(shù)值與試驗(yàn)研究手段，對(duì)不同葉片數(shù)下風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行對(duì)比研究，研究方法及結(jié)果為后續(xù)開展葉輪幾何參數(shù)影響提供參考。

[1]游斌，謝軍龍，王軍，等.多翼離心風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(3)：419-422.

[2]韓非非，席德科.多翼離心風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算及改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29(8)：992-996.

[3]李慶宜，通風(fēng)機(jī)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[4]張師帥，李偉華.空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)幾何建模的參數(shù)化[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007(5)：26-29.

[5]莊鎮(zhèn)榮.集流器對(duì)前向多翼離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2002(3)：14-15.

[6]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[7]蔡濤，王渴，王軍，等.XBF多翼離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與試驗(yàn)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014(2):25-28,46.

[8]唐駿，王軍，劉輝，等.基于MATLAB的多翼離心風(fēng)機(jī)參數(shù)化快速成型方法[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2015(2):42-47.

[9]劉小民，湯虎，樊濤.多翼離心風(fēng)機(jī)葉片出口安裝角對(duì)吸油煙機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014(6):22-25,34.

[10]曹廷云，陳雪江，秦國(guó)良.多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲分析的試驗(yàn)及數(shù)值研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2014(4):21-24.

[11]劉小民，趙嘉，李典.多翼離心風(fēng)機(jī)性能的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2015(3)：11-17.

The Effect of the Number of Blades on the Performance of a Multi-blade Centrifugal Fan

Hui Li1Jun Wang1Shui-qing Zhou1Xiu-bai Hu2Guan-zheng Xiong2Tian-ci Xu2
（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology; 2.Zhejiang Langdi Group Co.,Ltd.）

A multi-blade centrifugal fan has a large pressure and discharge coefficient due to the narrow flow channel and multiple number of blades.Due to the shorter blade chord length and high solidity,the multi-blade fans is different from other types of fan.It should design reasonable number blades for multi-blade fan to get the good wake flow distribution.In order to study the impact of the solidity on the performance,three different blade numbers of an impeller were analyzed by numerical simulation.The results of the characteristics of the internal and external flow field show that the fan has a good flow distribution and external characteristic with 48 blades.This conclusion was verified based on test results.

multi-blades centrifugal fan，performance，blade，numerical simulation

TH432；TK05

1006-8155-(2017)02-0019-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0004

?校企產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目：NO.12010231120323

2016-07-20 湖北 武漢 430074