蝸殼及葉片外形對雙吸式多翼離心風機性能影響的試驗研究?

王軍李佳峻梁鐘胡修柏熊官政

（1.華中科技大學能源與動力工程學院；2.浙江朗迪集團股份公司）

蝸殼及葉片外形對雙吸式多翼離心風機性能影響的試驗研究?

王軍1李佳峻1梁鐘1胡修柏2熊官政2

（1.華中科技大學能源與動力工程學院；2.浙江朗迪集團股份公司）

以某款效率低、全壓低的雙吸式多翼離心風機為實驗對象，通過試驗研究蝸殼型線，葉片外形以及增加葉片數(shù)對風機性能的影響。試驗結(jié)果表明：蝸殼型線的變化趨勢對雙吸式多翼離心風機的性能有著很大的影響，良好的蝸殼型線不僅提高了風機效率以及全壓，還改變了流量-壓力曲線的變化趨勢；相比原風機，采用改型蝸殼及改型葉輪的方案2風機能夠大幅提升風機性能，使效率提升幅度達到10.93%，風機全壓提升近40Pa；當葉片數(shù)從46片增加至56片，風機在大流量工況下提升了風機靜壓，但風機效率會略有下降。

雙吸式多翼離心風機；蝸殼型線；葉片外形；試驗研究

0 引言

多翼離心風機具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓力系數(shù)高、流量系數(shù)大和噪聲低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于換氣裝置、電子設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)等場合。但由于多翼離心風機在結(jié)構(gòu)上葉輪的相對寬度較大，輪徑比大，葉輪流道短，葉片彎曲度大等特點，導致進口氣流沿軸向分布極不均勻，葉輪內(nèi)的壓力脈動大，葉片出口處邊界層分離嚴重，蝸舌處的回流以及蝸殼內(nèi)的二次流動，對其氣動特性產(chǎn)生很大的負面影響，使得多翼離心風機效率普遍較低。

目前國內(nèi)外研究人員對多翼離心風機的優(yōu)化設(shè)計主要以對葉輪和蝸殼優(yōu)化為主。王嘉冰等人[1]討論了多翼離心風機的集流器、葉輪、蝸殼、電機分別對風機內(nèi)流特性的影響，指出各部件間的匹配對風機性能同樣有至關(guān)重要的影響。劉路[2]等人根據(jù)多翼離心風機主要部件的結(jié)構(gòu)特點，回顧國內(nèi)外有關(guān)風機流動特性的研究，指出影響多翼離心風機性能的主要因素有：氣流分布不均勻，蝸舌附近的旋渦，氣流的分離及回流，風機前后盤的二次渦區(qū)域。劉小民[3]等人通過實驗考察了多翼離心風機葉片出口安裝角對吸油煙機氣動性能和噪聲特性的影響，研究結(jié)果表明葉片出口安裝角的變化對吸油煙機性能有較大影響。王瑞[4]等人通過對葉片形狀進行優(yōu)化，控制葉道內(nèi)平均速度分布的規(guī)律實現(xiàn)了多翼離心風機整體性能的提升。祁大同[5]、宋寶軍[6]等人研究傳統(tǒng)的和新理論的離心風機蝸殼外型線設(shè)計方法，并通過實驗總結(jié)了各種蝸殼外型線設(shè)計方法的優(yōu)缺點。楊昕[7]等人用實驗的方法研究了改變?nèi)~輪與蝸殼相對位置對風機性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉輪中心與蝸殼幾何中心相重合的位置并不是最佳位置，設(shè)計合理的蝸殼型線對風機整體性能有較大的提升。

本文根據(jù)實際工程需要，以某款效率低，壓升小的雙吸式多翼離心風機為研究對象，通過同時對蝸殼和葉輪進行外形優(yōu)化實現(xiàn)風機性能的大幅提高并分別分析改型蝸殼及改型葉輪對風機性能產(chǎn)生的影響。

1 原型風機及改型設(shè)計

1.1 原型風機

如圖1所示，原型風機電機外置，內(nèi)部主要由集流器、葉輪、蝸殼三部分組成。葉輪前板半開，葉片通過前后板固定。風機設(shè)計轉(zhuǎn)速n=1 900r/min，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 原型風機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1Main structural parameters of the prototype fan

1.2 改型設(shè)計

1.2.1 蝸殼改型

由于該款風機需要安裝在特定的空間里，在對蝸殼改型時，需要保證蝸殼在長、寬、高三個方向的最大尺寸不能有太大變化，因此對蝸殼改型主要集中在對蝸殼外型線進行優(yōu)化并保證蝸殼整體尺寸變化足夠小。

圖1 原型風機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of prototype fan

通過在CAD軟件中對原風機蝸殼的外型線進行測量，以蝸殼方位角φ為橫軸，蝸殼與葉輪出口在半徑方向上的間距dφ為縱軸，繪制出蝸殼外型線的變化趨勢圖（見圖2）。發(fā)現(xiàn)原型蝸殼的dφ隨φ角以多段折線式變化，在蝸舌附近dφ隨φ角增加而快速增加，而在其他φ角范圍內(nèi)dφ增長快慢不一，這將影響蝸殼對氣流的擴壓效果，增加氣流流動損失，最終惡化流場。

圖2 原型蝸殼dφ隨角度φ的變化趨勢Fig.2Variation trend of the prototype volutedφwithφ

因此，為了實現(xiàn)氣流在蝸殼中均勻擴壓，現(xiàn)以保證蝸舌處方位角不變的情況下，以dφ隨φ角線性遞增來優(yōu)化蝸殼外型線。同時為了滿足蝸殼的整體尺寸不變，將蝸殼的高度、寬度、長度進行約束，適當減小了蝸殼的出口張開度，最終得到改型蝸殼。

將改型蝸殼的外型線與原型蝸殼外型線進行對比，見圖3，其中φ角用于表示蝸殼型線的方位，dφ表示沿徑向方向葉輪出口至蝸殼內(nèi)壁的間距。

圖3 原型蝸殼與改型蝸殼外型線對比Fig.3Comparison of prototype volute profile and modified volute profile

1.2.2 葉輪改型

通過對原型風機葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該款多翼離心風機的葉片出口安裝角過大，與文獻[3]中的推薦值不符。過大的葉片出口安裝角將導致葉片的強烈彎曲，迫使氣流在短葉道內(nèi)發(fā)生大角度的轉(zhuǎn)向，加之葉輪進出口間存在較大的逆壓梯度，導致在葉片背面容易產(chǎn)生分離渦，影響風機高效率運行。

因此，為減小葉片的彎曲程度，改型葉輪保持外徑D2，內(nèi)徑D1不變，以葉片出口安裝角β2以及葉片圓弧角α作為主要優(yōu)化變量并參考文獻[3]中的推薦值對葉輪進行改型。圖4為葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，葉輪改型參數(shù)如表2所示。

圖4 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.4Schematic diagram of impeller structure parameters

表2 改型葉輪參數(shù)表Tab.2Modified impeller parameter table

2 試驗裝置以及試驗方案

2.1 試驗裝置

本次試驗在浙江朗迪集團股份有限公司實驗室中進行，試驗臺布置和測量儀表選取遵循中華人民共和國國家標準GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》。實驗過程中使用同一電機，同一套測量系統(tǒng)。風機和電機固定在同一位置并且保證相互之間的位置關(guān)系不變。風機性能試驗系統(tǒng)如圖5所示。試驗臺末端的輔助風機主要用于克服由測試風機本身不能克服的部分阻力。

圖5 風機氣動性能試驗系統(tǒng)Fig.5Experimental system of fan aerodynamic performance

風機氣動性能試驗使用同一臺電機，其轉(zhuǎn)速為n=1 900 r/min。試驗風機的進口條件為當?shù)卮髿鉅顟B(tài)，試驗中通過調(diào)節(jié)安裝在風室出口管道上的節(jié)流裝置的開合度來調(diào)節(jié)風量以達到改變多翼離心風機工作工況的目的，使用微差壓變送器測量風室中段處的多噴嘴流量計前后壓差和風機出口管道段的靜壓，并通過測試系統(tǒng)計算得到試驗風機的流量和全壓，采用數(shù)字式轉(zhuǎn)速表測量電機軸的實際轉(zhuǎn)速。為了防止各個工況點下的大氣壓力，溫度以及濕度的差異而導致的試驗誤差，試驗系統(tǒng)將通過自帶的傳感器實時測量各個工況點下的大氣壓力，溫度以及濕度，并將各工況下風機的性能參數(shù)轉(zhuǎn)換為指定條件下的值，確保各組試驗對照的可靠性。

2.2 試驗方案

為了對比改型蝸殼，改型葉輪以及改型蝸殼加改型葉輪對風機整體性能的影響，將原型蝸殼和葉輪以及改型蝸殼和葉輪組合搭配形成三種試驗方案，如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3Experimental scheme

方案1僅改變了風機蝸殼，可以單獨對比改型蝸殼對風機性能的影響；方案2在方案1的基礎(chǔ)上進一步將原型葉輪換為同葉片數(shù)的改型葉輪一；方案3對比方案2可以研究葉片數(shù)增加對多翼離心風機性能的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

通過試驗臺系統(tǒng)為每組試驗測量多個工況點并使用MATLAB軟件對10個工況點分別進行流量-全壓效率、流量-全壓、流量-靜壓的數(shù)據(jù)擬合，得到連續(xù)的擬合曲線。如圖6所示為各組試驗在轉(zhuǎn)速n=1 900 r/min下的流量-全壓效率性能曲線。

圖6 全壓效率隨流量變化的曲線圖Fig.6Curves of total pressurs efficiency versus flow rate

由圖6可以看出：在小流量工況下,原型多翼離心風機的全壓效率隨流量增加而上升,當流量在2 500～4 500m3/min的范圍內(nèi)，風機全壓效率達到穩(wěn)定，風機在流量為3 326.6m3/min時，全壓效率到達最高，為46.95%。相比之下，其他三組方案的流量-全壓效率性能曲線平穩(wěn)段較窄，但在流量為3 300～4 500m3/min（工作區(qū)），風機的全壓效率變化很小且提升較大。方案1在流量為3 557.1m3/min時，全壓效率到達最高，為51.35%，提升4.4%；方案2在流量為3 801.3m3/min時，全壓效率到達最高，為57.88%，提升10.93%；方案3在流量為3 794.5m3/min時，全壓效率到達最高，為56.86%，提升9.91%，三組方案的最優(yōu)工況點均向大流量方向移動，效率也均有提升。

圖7 全壓隨流量變化的曲線圖Fig.7Curves of total pressure versus flow rate

圖8靜壓隨流量變化的曲線圖Fig.8Curves of static pressure versus flow rate

圖7 和圖8為各組實驗在相同轉(zhuǎn)速n=1 900r/min下的流量-全壓，流量-靜壓性能曲線圖。從圖中可以看出：在流量小于2 800m3/min時，原型風機的全壓和靜壓均大于方案風機的全壓和靜壓；而當流量大于2 800m3/min時，原型風機的全壓和靜壓卻小于方案風機的全壓和靜壓。原型風機的流量-靜壓曲線的變化趨勢也與方案風機的流量-靜壓曲線的變化趨勢有所不同。

3.2 結(jié)果分析

為了便于分析，現(xiàn)將原型風機與方案1風機，方案1風機與方案2風機，方案2風機與方案3風機分別作比較來分析蝸殼外型線，葉片外形以及增加葉片數(shù)對風機性能的影響。比較原型風機與方案1風機可以發(fā)現(xiàn)：蝸殼型線的變化改變了風機壓力性能曲線的變化趨勢。原型風機的靜壓先隨著流量的增加而較快的下降，之后會在一定的流量范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，隨著流量的進一步增加，靜壓再次下降；而僅改變了蝸殼的方案1風機在試驗流量范圍內(nèi)，靜壓隨著流量增加而增加，當流量到達最佳工況點下的流量時，靜壓隨著流量增加而略有下降。圖9為原型蝸殼與改型蝸殼葉輪出口至蝸殼內(nèi)壁在徑向上的間距dφ隨角度φ的變化。

圖9 dφ隨角度φ的變化趨勢Fig.9The rrend change betweendφandφ

從圖9中可以看出：原型蝸殼的dφ隨φ角的變化忽快忽慢，φ角在74°～100°之間變化時，間距dφ增長得很快，之后在φ角為100°～220°時，間距dφ緩慢且平穩(wěn)的增加，當φ角大于220°時，間距dφ再次出現(xiàn)快速增長的變化趨勢且在靠近出口處增長速度進一步加快，變化曲線形如多段折線，這導致從葉輪中流出的高速氣流在蝸殼內(nèi)得不到均勻的擴壓效果；而改型蝸殼的dφ隨φ角的增加而平穩(wěn)增長，變化曲線為定斜率直線。這兩種不同的蝸殼型線導致了原型風機與方案1風機在氣動性能上存在較大的差異，間距dφ隨φ角按多段折線變化的原型蝸殼沒有起到連續(xù)，均勻的擴壓作用，忽快忽慢的變化趨勢還使得蝸殼內(nèi)部氣流流動狀況惡化，前后氣流間容易發(fā)生排擠并產(chǎn)生渦旋造成較大損失，降低了風機效率；而顯單條直線變化的改型蝸殼起到了較好的擴壓作用，改善蝸殼內(nèi)流場，最終提升了風機全壓和效率。

方案1風機與方案2風機使用了不同的葉輪，原型葉輪葉片的彎曲程度較大，葉片出口安裝角及葉片中心角均大于改型葉輪的葉片出口安裝角及葉片中心角。較大的葉片彎曲程度導致了葉道截面進口較小，而后逐步增大，在靠近葉片出口處又由大變小，這使得氣流在葉道內(nèi)的相對速度先由大變小，又由小變大。這種前后不一致的速度變化將導致在葉片背面的進口處產(chǎn)生較大的旋渦，在葉片出口處更易形成流動分離，降低風機效率。同時，原型葉輪較大的葉片出口角使得其具有更強的作功能力，在性能曲線上表現(xiàn)為方案1風機的全壓高于方案2風機的全壓。

方案2風機與方案3風機的比較可以看出：葉片數(shù)的增加對風機整體影響不大。葉片數(shù)從46片增加到56片使得風機在全工況范圍內(nèi)效率均略有下降，下降幅度在1%左右，同時增加葉片數(shù)使得風機在流量小于3 700m3/min的范圍內(nèi)靜壓值下降，在流量大于3700m3/min的范圍內(nèi)靜壓值提升。導致這種現(xiàn)象的原因可能是由于葉片數(shù)的增加一方面加強了葉片對氣流的導向作用，減少了葉道內(nèi)的分離現(xiàn)象，特別是在大流量工況下使葉道內(nèi)流場更加均勻；另一方面卻增加了氣流與葉片的接觸面積，產(chǎn)生更多的流動損失，降低了葉輪的作功效率。

4 結(jié)論

通過同時優(yōu)化蝸殼及葉輪，大幅提升了原型風機的氣動性能，使風機在最佳工況點下效率提高10.93%，風機全壓提升近40Pa。采用試驗研究的方法還分別研究了蝸殼形狀，葉片形狀以及增加葉片數(shù)對風機性能的影響，并得到如下結(jié)論：

1）蝸殼型線對風機性能有很大的影響。蝸殼設(shè)計時應(yīng)該保證間距dφ隨φ角均勻變化，避免出現(xiàn)忽快忽慢的變化趨勢。

2）葉片的彎曲程度對風機效率有較大的影響。減小葉片的彎曲程度可以提升風機效率，但同時會降低風機的作功能力，使其壓升減小。

3）對于該款風機，將葉片數(shù)從46片增加到56片提升了大流量工況下的風機靜壓，但風機效率在全工況范圍內(nèi)略有下降。

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Experimental Study on the Effect of the Volute and Blade Profile on the Performance of a Multi-blade Centrifugal Fan

Jun WangJia-jun LiZhong LiangXiu-bo HuGuan-zheng Xiong
（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology;2.Zhejiang Langdi Group Co.,Ltd）

The effect of the volute and blade profile and the blade number on the performance of multi-blade centrifugal fan with a low efficiency and total pressure is investigated by an experimental method.The study results show that changing the volute profile has a great impact on the performance of the multi-blade centrifugal fan.An optimized volute profile can not only improve the efficiency and total pressure of the fan,but also reduces variations in the performance curve.A modification of volute and impeller can greatly enhance the performace of the fan,Compared to the originial fan the efficiency is increased by 10.93%and the total pressure by 40Pa.When the blade number is increased from 46 to 56,the static pressure is enhanced,but the efficiency is slightly decreased.

multi-blade centrifugal fan,volute profile,blade profile,experimental research

TH432；TK05

1006-8155-(2017)03-0049-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0009

中國南方智谷引進創(chuàng)新團隊和項目（NO.2013CXTDOI）

2016-10-15湖北武漢430074