回流器出口角對離心風(fēng)機葉輪性能的影響研究

（華南理工大學(xué)）

0 引言

如圖1所示為某型號二級離心風(fēng)機的流道示意圖，該流道主要由固定元件和葉輪組成，固定元件主要包括彎道和回流器。彎道和回流器構(gòu)成的流道是連通各級葉輪的重要通道，回流器的進口寬度、葉片型線[1-2]及葉片進出口角對回流器自身內(nèi)部流場均有不同程度的影響[3-6]，回流器內(nèi)部流場的分布情況不僅直接影響其本身的壓力分布，回流器葉片出口角的大小還會直接影響下一級葉輪葉片進口氣流角的大小，從而間接影響葉輪的內(nèi)部流場與性能[7-8]。葉輪在設(shè)計過程中主要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)與流場的匹配度，進入葉輪時的氣體狀態(tài)直接影響葉輪葉片最佳進口角的選取[9]，因此回流器在葉輪設(shè)計過程中的影響十分顯著。

圖1中截面1'-1'為風(fēng)機進氣室出口截面，截面1-1為葉輪葉片進口截面，截面2-2為葉輪葉片出口截面，截面2'-2'為彎道進口截面，3'-3'為彎道出口截面，截面3-3為回流器葉片進口截面，截面4-4為回流器葉片出口截面，截面4'-4'為回流器葉片出口后的截面。下文中各物理量的下標(biāo)代表該物理量所處的截面位置。

圖1 風(fēng)機內(nèi)部流道示意圖Fig.1 Internal flow channel of fan

1 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于一維氣動理論[10]對離心通風(fēng)機葉輪進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，涉及的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括以下三部分：

1）葉輪出口結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉輪出口直徑，葉輪出口寬度；

2）葉輪進口結(jié)構(gòu)參數(shù)：輪轂直徑，葉輪進口寬度，葉輪進口直徑；

3）葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)：葉片進口角，葉片出口角，葉片型線參數(shù)等。

在確定好葉輪全壓ptF、流量q、葉輪轉(zhuǎn)速n后對葉輪進行設(shè)計，通常根據(jù)經(jīng)驗先選取葉輪葉片出口角β2A、全壓系數(shù)ψt、葉輪進口氣流速度c1m等參數(shù)[10]。

葉輪出口直徑D2和出口寬度b2分別按式（1）和式（2）計算。

葉輪進口參數(shù)則根據(jù)葉輪進口氣流狀態(tài)進行設(shè)計，根據(jù)相對速度最小w1的原則[11]，確定葉輪進口直徑D0（如式所示）[10]和葉片進口角β1A（如式(1)所示），保證葉道內(nèi)流動損失最小。

式中，β1為葉輪葉片進口氣流角，i'為沖角。

葉輪進口寬度b1按式（5）計算[10]，對于采用平前盤的葉輪，葉輪進口寬度b1與葉輪出口寬度b2相等，即b1=b2。

葉輪寬度是根據(jù)葉輪流道損失系數(shù)最小的原則設(shè)計的，當(dāng)葉輪流道的當(dāng)量擴張角?eq=0°～5°時，該損失系數(shù)最小[10]，葉輪流道當(dāng)量擴張角的計算如式（6）[10]所示，j表示葉輪流道擴散段終止截面，當(dāng)整個葉輪流道均為擴散段時，截面j即為葉輪出口截面。

采用斯托多拉公式[10]計算葉輪環(huán)流系數(shù)k如式（7）所示。

對于最佳葉片數(shù)的計算，需要設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗選取合適的計算公式，本文選用Eck公式[10]計算葉片數(shù)目Z，如式（8）所示。

根據(jù)計算結(jié)果取整，選取葉輪外徑，之后便可得到確定的葉輪出口切向速度u2。葉片圓弧直徑Dk及中心圓直徑DC可按式（9）和式（10）計算。

2 回流器葉片出口角對葉輪流場的影響

根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，可知葉輪葉片進口角取決于葉輪葉片進口的氣流角β1。安裝在葉輪前的回流器相當(dāng)于整流器，回流器葉片出口角β4A不同，則對下一級葉輪進口氣流的預(yù)旋角也不同，使得下一級葉輪葉片進口的氣流角β1不同[12]。

回流器出口對葉輪進口氣流無預(yù)旋時，即回流器葉片出口角β4A=90°時，葉輪進口速度三角形如圖2所示，葉輪葉片進口的氣流角β1按式（11）計算。

圖2 無預(yù)旋時葉輪進口速度三角形Fig.2 Inlet velocity triangle of impeller without prewhirl

回流器出口對葉輪有預(yù)旋時，即回流器葉片出口角β4A≠90°時，葉輪進口速度三角形如圖3所示，葉輪葉片進口的氣流角β1按式(12)計算。

其中,c4u為回流器葉片出口氣流切向分速度，按式(13)進行計算。

圖3 有預(yù)旋時葉輪進口速度三角形Fig.3 Inlet velocity triangle of impeller with prewhirl

式中，qv1為葉輪進口體積流量，ρin4為回流器出口空氣密度，d4為回流器葉片出口直徑，b4為回流器葉片出口寬度，β4A為回流器葉片出口角。

有正預(yù)旋時，即回流器葉片出口角β4A＜90°，c4u為正；有負(fù)預(yù)旋時，即回流器葉片出口角β4A＞90°，c4u為負(fù)。無論c4u的正負(fù)，均要保證葉輪葉片進口氣流沖角i'為正。

2.1 數(shù)值模擬計算

選取相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的葉輪模型，在相同工況條件下，分別對進口氣流有預(yù)旋和無預(yù)旋兩種情況進行全三維數(shù)值模擬，即回流器出口角β4A≠90°和β4A=90°兩種情況，對比分析兩種情況下葉輪內(nèi)部流場的不同。

風(fēng)機整體由旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件組成，對應(yīng)的計算域包含運動區(qū)域以及靜止區(qū)域，故采用多參考系模型(MRF)，將計算域模型分割成多個區(qū)域的組合模型。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格局部加密的方法對葉輪和回流器進行單獨劃分，如圖4和圖5所示。

圖4 回流器網(wǎng)格模型Fig.4 Grid model of return vane

圖5 葉輪網(wǎng)格模型Fig.5 Grid model of impeller

設(shè)置計算域材料為氣體，并設(shè)置各計算域的壁面邊界條件，其中葉輪葉片及前、后盤設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面邊界，給定旋轉(zhuǎn)速度，其余邊界均設(shè)置為靜止壁面邊界，區(qū)域交界面設(shè)置為interface邊界，并進行配對。

風(fēng)機進口設(shè)置采用質(zhì)量流量進口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，采用Opening邊界條件，計算時程序通過內(nèi)部流場迭代計算得到出口邊界信息，根據(jù)迭代壓力自動決定出口流體的狀態(tài)。

選擇密度基求解器進行穩(wěn)態(tài)求解，應(yīng)用k-ε湍流模型，選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，設(shè)置進出口壓力及流量監(jiān)測函數(shù)。設(shè)置完成后的整機計算域網(wǎng)格模型以及邊界條件如圖6所示。

圖6 風(fēng)機網(wǎng)格及邊界圖Fig.6 Grid and boundary of the fan

2.2 有無預(yù)旋條件下葉輪內(nèi)流場分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，對葉輪流場進行分析。圖7所示為相同工況下葉輪在有預(yù)旋（即β4A＜90°）和無預(yù)旋（即β4A=90°）兩種情況時葉片進口氣流速度矢量圖，可見無預(yù)旋時，葉輪沖角i較大；有預(yù)旋時葉輪葉片進口氣流角與無預(yù)旋時相比有顯著的變化，沖角i明顯減小。相同條件下，葉輪葉片進口氣流角β1隨回流器葉片出口角β4A的不同而改變，β4A越小，β1越大。

圖7 有、無預(yù)旋條件下葉輪葉片進口氣流速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of impeller blade inlet airflow in the condition of different prewhirl

如圖8所示為有預(yù)旋和無預(yù)旋兩種條件下葉輪0.5倍葉高截面氣流速度矢量圖，相應(yīng)的壓力分布云圖如圖9所示。雖然在該工況條件下，有預(yù)旋和無預(yù)旋時葉輪氣流沖角均在i=3°～16°的合理范圍內(nèi)，但是葉片進口處的沖擊加劇了葉輪流道內(nèi)氣流的分離，沖角越大，葉輪流道內(nèi)的氣流分離區(qū)越大。

圖8 有、無預(yù)旋條件下0.5倍葉高截面氣流速度矢量圖Fig.8 Airflow velocity vector diagram of half blade height surface in the condition of different prewhirl

圖9 有、無預(yù)旋時葉輪0.5倍葉高截面壓力云圖Fig.9 Stress nephogram of half blade height surface in the condition of different prewhirl

有預(yù)旋時葉輪流道流場比無預(yù)旋時明顯更好，葉輪流道內(nèi)氣流分離區(qū)域減小，有效通流面積增加，氣流速度分布相對較均勻。葉片進口附近低壓區(qū)有所減小，整個葉輪的壓力梯度范圍縮小。葉輪出口處的射流尾跡現(xiàn)象得到明顯改善，出口處的壓力梯度分布也相對均勻。

通常情況下，葉輪出口直徑和葉片出口角是整個葉輪設(shè)計的基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中不會輕易更改，只有設(shè)計完成后進行氣動校核發(fā)現(xiàn)不能滿足設(shè)計要求時才會進行調(diào)整，重新設(shè)計。在此條件下，要使無預(yù)旋葉輪與有預(yù)旋葉輪具有同樣良好的流場，只能通過減小葉片進口角的方式，來減小葉片進口氣流沖角。為保證葉輪整體氣動性能不變，葉輪其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均不改變，只調(diào)整葉片圓弧直徑Dk及中心圓直徑DC，以適應(yīng)新的葉片進口角。

根據(jù)以上分析結(jié)果，對無預(yù)旋時葉輪葉片進口角進行調(diào)整，調(diào)整后的葉輪葉片型線與調(diào)整前的葉片型線對比如圖10所示，可見整個葉片變得更加平直，葉輪流道長度增加。雖然在該工況下葉輪流場得到改善，但是葉片進口角的減小使葉輪工作流量范圍減小，且流道長度的增加使葉輪流道內(nèi)流動損失增加[13]。

圖10 葉片型線對比圖Fig.10 Contrast of the blade profile

2.3 不同回流器出口角對風(fēng)機性能的影響

通過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，同一葉輪在相同工況下，無預(yù)旋（即β4A=90°）時工作的最佳工況點比有預(yù)旋（即β4A≠90°）時的最佳工況點流量范圍更小，由此可見，回流器葉片出口的預(yù)旋作用對風(fēng)機性能有著重要的影響。

針對一臺二級離心風(fēng)機進行氣動性能計算，分析不同回流器葉片出口角β4A對葉輪進口氣流角的影響，分別計算了β4A=40°,50°,60°,90°時，即不同的預(yù)旋條件下，不同流量時葉片進口氣流角，圖11所示。

圖11 不同β4A下流量-氣流角曲線Fig.11 The flow rate-flow angle curve under differentβ4A

由圖11可知，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，葉輪進口氣流角隨流量增加而增大，由于氣體可壓縮性引起的體積流量的減小，造成圖中數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)逐級遞減的趨勢，與結(jié)構(gòu)參數(shù)無關(guān)?；亓髌鞒隹陬A(yù)旋作用對葉輪葉片進口前的氣流角的影響顯著，無預(yù)旋作用時，即β4A=90°，裝在回流器后的葉輪進口氣流角與未安裝回流器的第一級葉輪進口氣流角一致。四組數(shù)據(jù)中，β4A=40°時，葉輪進口氣流角最大。

對不同β4A下風(fēng)機的性能進行計算，并繪制壓力、功率、效率與流量的關(guān)系曲線圖，如圖12～圖14所示?；亓髌鞒隹诮堑念A(yù)旋作用會降低葉輪壓力，但同時也降低了軸功率[14]，風(fēng)機效率隨著β4A的減小而有所下降，但是變化不超過0.08，且最高效率點往小流量工況偏移。

圖12 不同β4A風(fēng)機流量-壓力曲線Fig.12 The flow rate-pressure curve under differentβ4A

圖13 不同β4A風(fēng)機流量-功率曲線Fig.13 The flow rate-power curve under differentβ4A

圖14 不同β4A風(fēng)機流量-效率曲線Fig.14 The flow rate-efficiency curve under differentβ4A

3 不同回流器出口角對葉輪葉片設(shè)計的影響

根據(jù)以上分析可知，回流器葉片出口角的正預(yù)旋作用使葉輪葉片進口角增大，相應(yīng)地，葉輪在設(shè)計時將取更大的葉片進口角β1A以匹配流場。由圖11可知，β4A越小，葉片進口氣流角β1越大，在流量為1 740m3/h的工況下設(shè)計葉輪，在四種不同β4A的條件下，β1=25°～60°。在合理的沖角范圍內(nèi)選取葉輪葉片進口角β1A，當(dāng)β1=25°時，葉輪葉片進口角β1A=28°～41°；當(dāng)β1=60°時，葉輪葉片進口角β1A=63°～76°。

在葉輪其余參數(shù)不變的條件下，繪制β1A=28°，50°,76°時的葉輪葉片型線，如圖15～圖17所示。當(dāng)β1A=28°時，葉輪流道狹長，增大了氣體流動損失；葉片進口面積小，整個流道面積逐漸增大，當(dāng)量擴張角較大，使得氣流分離損失增加。當(dāng)β1A=50°時，葉輪流道較短，整個流道擴張角合理，使葉輪獲得較高的效率。當(dāng)β1A=76°時，葉輪流道較短，氣體流動損失較?。蝗~片進口面積大，整個流道面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，葉輪流道內(nèi)極易形成渦區(qū)，使葉輪效率降低[10]。

圖15 β1A=28°葉輪葉片型線示意圖Fig.15 The diagram of the impeller blade profile whenβ1A equals to 28°

圖16 β1A=50°葉輪葉片型線示意圖Fig.16 The diagram of the impeller blade profile whenβ1A equals to 50°

圖17 β1A=76°葉輪葉片型線示意圖Fig.17 The diagram of the impeller blade profile whenβ1A equals to 76°

葉輪葉片最佳進口角β1A的選取必須綜合考慮葉輪葉片出口角β2A及葉輪寬度b等因素的影響，使葉輪流道當(dāng)量擴散角?eq在0°～5°范圍內(nèi)。β4A的不同取值使葉輪設(shè)計更加靈活，增大了相同結(jié)構(gòu)參數(shù)葉輪使用工況的范圍。

4 結(jié)論

離心通風(fēng)機回流器葉片出口角β4A對葉輪的設(shè)計有著重要的影響，主要表現(xiàn)在β4A的改變會改變?nèi)~輪葉片進口氣流角α的大小，從而改變?nèi)~輪葉片最佳進口角β1A，此外β4A還會影響葉輪最高效率點對應(yīng)的流量和壓力范圍，以及葉輪所需功率等性能參數(shù)。具體的，同等條件下β4A越小，葉輪葉片最佳進口角β1A越大，葉輪最高效率點對應(yīng)的流量和壓力范圍越小，葉輪所需軸功率也越小。

通過調(diào)整β4A的取值，使具有相同直徑、葉片出口角和寬度的葉輪適用的工況范圍更廣，方便設(shè)計人員在葉輪設(shè)計過程中的局部微調(diào)。利用回流器出口角的預(yù)旋作用對葉輪進口氣流角進行調(diào)整，適用于多種不同工況，在不改變?nèi)~輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，保證葉輪內(nèi)部流場的合理性，對多級離心通風(fēng)機的系列化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。