葉片數(shù)對(duì)高比轉(zhuǎn)速離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲影響的分析

趙 征 ，李 彬 ，，李小輝 ，陳 紅 ，蔡姍姍

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海 519000；2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

離心風(fēng)機(jī)是通過(guò)葉輪高速旋轉(zhuǎn)將氣體從軸向吸入葉輪，并進(jìn)行折轉(zhuǎn)從徑向流出［1-4］。小型離心風(fēng)機(jī)由集流器和葉輪組成，其具有流量系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊和噪聲低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的各種送風(fēng)系統(tǒng)中［5-8］。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，高比轉(zhuǎn)速（100～500）風(fēng)機(jī)多為軸流式［9］，然而在特定運(yùn)行條件下不能選擇軸流風(fēng)機(jī)，如在特定葉輪直徑和轉(zhuǎn)速下需求較高壓升。因此，需要對(duì)高比轉(zhuǎn)速離心葉輪展開(kāi)研究。多位學(xué)者針對(duì)高比轉(zhuǎn)速離心葉輪進(jìn)行了深層次的研究，在葉輪機(jī)械領(lǐng)域已有一定的研究成果［10-17］。目前高比轉(zhuǎn)速葉輪的設(shè)計(jì)還沒(méi)有系統(tǒng)的方法，并且研究較少，開(kāi)發(fā)高效、低噪聲［18-23］的高比轉(zhuǎn)速離心葉輪是當(dāng)前亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

本文所涉及的風(fēng)機(jī)用于空氣凈化器送風(fēng)系統(tǒng)中［24］，該系統(tǒng)具有風(fēng)量大和阻力較大的特點(diǎn)，由于受結(jié)構(gòu)尺寸限制和系統(tǒng)要求，該空氣凈化器風(fēng)機(jī)的選型為離心風(fēng)機(jī)，因此該離心風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速高，且輪徑比達(dá)到0.8，導(dǎo)致該葉輪的渦流損失嚴(yán)重。優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為保證系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)，僅對(duì)葉輪部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文主要通過(guò)對(duì)3種不同葉片數(shù)下的高比轉(zhuǎn)速離心葉輪進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算和整機(jī)試驗(yàn)，并展開(kāi)分析單葉輪及整機(jī)的性能和噪聲，為高比轉(zhuǎn)速離心風(fēng)機(jī)的葉輪設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究研究對(duì)象及數(shù)值模擬

1.1 研究對(duì)象

對(duì)空氣凈化器中的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究，葉輪區(qū)域結(jié)構(gòu)總裝如圖1（a）所示，是去除前置濾芯的空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意，圖1（b）分別為單葉輪三維結(jié)構(gòu)示意，葉輪葉片數(shù)為7個(gè)，設(shè)計(jì)工況流量為350 m3/h，最高轉(zhuǎn)速1 400 r/min，表1給出了葉輪的具體參數(shù)。為研究不同葉片數(shù)對(duì)高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)性能的影響，采用3種葉片數(shù)進(jìn)行分析，分別為圖2（a）葉片數(shù)7、圖2（b）葉片數(shù)9和圖2（c）葉片數(shù) 11。

圖1 高比轉(zhuǎn)速葉輪總裝和單葉輪結(jié)構(gòu)示意

表1 離心風(fēng)機(jī)葉輪的幾何參數(shù)

圖2 葉輪葉片結(jié)構(gòu)示意

1.2 數(shù)值模擬

單風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算模擬采用風(fēng)洞測(cè)試實(shí)驗(yàn)的方案進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，建模模型分為進(jìn)口段、葉輪旋轉(zhuǎn)域和風(fēng)洞3部分，如圖3（a）所示，對(duì)葉輪區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密；如圖3（b）所示，建模和網(wǎng)格劃分時(shí)考慮集流器間隙。

圖3 離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分

采用ANSYS CFX對(duì)離心風(fēng)機(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行求解，通過(guò)求解雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行模擬。離心風(fēng)機(jī)的馬赫數(shù)一般小于0.3，故將空氣視為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略重力和溫度對(duì)流場(chǎng)的影響，離心風(fēng)機(jī)流動(dòng)基本上都是紊流狀態(tài)，湍流模型采用RNGk-ε模型，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC算法，流體類型為25 ℃空氣，進(jìn)口邊界條件為總壓，數(shù)值0 Pa，出口設(shè)置為流量出口，監(jiān)測(cè)葉輪出口壓力。風(fēng)機(jī)模型由葉輪旋轉(zhuǎn)域和風(fēng)洞靜止域、進(jìn)口靜止域組成，動(dòng)靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，設(shè)置如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型前處理設(shè)置

采用圖3所示的網(wǎng)格劃分方法和圖4所示的設(shè)置方法對(duì)單葉輪進(jìn)行仿真計(jì)算，圖5示出了離心風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，從550萬(wàn)～1 200萬(wàn)網(wǎng)格分別計(jì)算了5種網(wǎng)格數(shù)量，并對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量下計(jì)算得到的出口全壓和效率進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在962萬(wàn)～1 200萬(wàn)時(shí)其參數(shù)基本穩(wěn)定，因此采用962萬(wàn)計(jì)算網(wǎng)格單元。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在962萬(wàn)的單元下，對(duì)Y+值進(jìn)行查看，得到Y(jié)+值為37.3，適合數(shù)值計(jì)算時(shí)所采用的壁面函數(shù)要求。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為方便試驗(yàn)測(cè)試，節(jié)約開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本，不用單獨(dú)設(shè)計(jì)單風(fēng)機(jī)工裝，因此采用空氣凈化器去濾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行總裝風(fēng)量測(cè)試，省去的單風(fēng)機(jī)性能測(cè)試，采用去濾芯的整機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，用來(lái)驗(yàn)證仿真的可靠性。如圖1結(jié)構(gòu)所示，并進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)比試驗(yàn)和仿真數(shù)值計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表2，其總壓誤差為2.55%，效率誤差相差2.41%，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性，因此后續(xù)單風(fēng)機(jī)葉片數(shù)優(yōu)化過(guò)程中以仿真計(jì)算分析為主。

表2 整機(jī)去濾芯試驗(yàn)測(cè)試和仿真計(jì)算對(duì)比

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

本文針對(duì)單風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，因此采用圖3中的網(wǎng)格劃分方法和圖4中的設(shè)置方法進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 外特性分析

圖6示出了單葉輪分別在葉片數(shù)7，9，11下的外特性曲線。

圖6 不同葉片數(shù)下單葉輪的外特性曲線

從圖中可以看出，高比轉(zhuǎn)速下，隨著葉片數(shù)增多全壓有不同程度增大，在設(shè)計(jì)工況下，葉片數(shù)為11的葉輪的壓升最高，較原葉輪（葉片數(shù)7）的壓力提高了13.3%，提升效果明顯，這是由于葉片數(shù)增加增大了葉輪的做功能力。當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)工況（350 m3/h）時(shí)，葉片數(shù)9較葉片數(shù)7有所增大，但葉片數(shù)11較葉片數(shù)9基本保持不變，說(shuō)明在大流量工況下時(shí)葉片數(shù)大于9其全壓不會(huì)再增大，而當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)工況（350 m3/h）時(shí)，其全壓隨著葉片數(shù)的增多而增大，這是由于：葉片數(shù)較少，即葉柵稠度較小時(shí)，每個(gè)葉片的負(fù)荷較大，氣流在葉片流道內(nèi)易發(fā)生分離，流動(dòng)損失增大，風(fēng)機(jī)的全壓和效率減小。尤其是靠近前蓋板附近區(qū)域，氣流的徑向速度較小，造成氣流的進(jìn)氣沖角大，進(jìn)一步增大葉片負(fù)荷，流動(dòng)極易分離，分離區(qū)尺度從葉片靠近前蓋板到后蓋板處逐漸減小。葉片數(shù)較多，即葉柵稠度較大時(shí)，每個(gè)葉片的負(fù)荷較小，氣流在葉輪中的分離尺度較小，分離損失減小，效率有所提高，但同時(shí)由于葉片數(shù)增多，葉片表面積增大，葉片表面的附面層摩擦損失增大，又造成風(fēng)機(jī)效率減小，同時(shí)會(huì)使葉片流道通流面積減小，流動(dòng)發(fā)生阻塞，使風(fēng)機(jī)流量降低。葉柵稠度增加，當(dāng)性能提高不足以抵消摩擦損失造成的性能降低時(shí)，風(fēng)機(jī)損失增大，效率和流量減小。因此葉片數(shù)增加對(duì)小流量工況更加有利，但不能無(wú)限制的增加，過(guò)多的葉片數(shù)可能會(huì)對(duì)大流量工況起到負(fù)面影響，因此選擇合理的葉片數(shù)是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的因素之一。

增多葉片數(shù)不會(huì)影響風(fēng)機(jī)高效工況區(qū)域，其高效工況區(qū)域都分布在250～350 m3/h流量區(qū)域之間，但增多葉片數(shù)其效率會(huì)有不同程度的提升，額定工況下，其中葉片數(shù)11和葉片9下的效率較原葉輪（葉片數(shù)7）的分別提高了2.5%和2.23%。

2.2 不同葉片數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的機(jī)理分析

針對(duì)不同葉片數(shù)下的單葉輪進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，定義葉高為b，后蓋板到前蓋板的相對(duì)位置分布為（0～1）b，分別從前蓋板到后蓋板取3個(gè)軸面（0.9b，0.5b和0.1b）對(duì)流動(dòng)進(jìn)行分析，如圖7所示，圖中白色無(wú)流線區(qū)域均為渦流，明顯可以得到靠近前蓋板處（0.9b）的渦流較為嚴(yán)重，產(chǎn)生明顯的分離區(qū)，靠近后蓋板（0.1b）和中間截面（0.5b）的流線相對(duì)較為均勻，說(shuō)明高比轉(zhuǎn)速下離心風(fēng)機(jī)靠近前蓋板處的流動(dòng)較差，本文通過(guò)增加葉片數(shù)優(yōu)化其流動(dòng)，如圖8所示，可以看出隨著葉片數(shù)的增多，其兩葉片之間流道的渦流明顯減少，有效的增加了葉輪靠近前蓋板處的出口流量，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)效率。

圖7 葉片數(shù)為7時(shí)不同葉高處流線

圖8 不同葉片數(shù)0.9b葉高處流線

同時(shí)，葉輪內(nèi)部的渦流是產(chǎn)生寬頻噪聲的主要原因，通過(guò)優(yōu)化葉輪內(nèi)部流動(dòng)可以降低寬頻噪聲，圖9示出了葉輪內(nèi)部在不同葉片數(shù)下的渦核特征分布。

圖9 不同葉片數(shù)葉輪域渦核分布特征

靠近前蓋板處的渦核分布面積大，即前蓋板處流動(dòng)渦流明顯，與流線反映出的現(xiàn)象一致。在葉輪出口處的渦核分布明顯減小，可以得到葉片數(shù)增多對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)有一定的改善，尤其是靠近前蓋板的流動(dòng)改善最為明顯。

3 整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

由于試驗(yàn)條件和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期原因，未進(jìn)行單葉輪性能和噪聲測(cè)試，用優(yōu)化后的葉輪安裝在空氣凈化器整機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，整機(jī)為安裝濾芯后的空氣凈化器，即在圖1中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上安裝濾芯進(jìn)行測(cè)試，相當(dāng)于僅對(duì)單風(fēng)機(jī)增大了系統(tǒng)阻力，整機(jī)系統(tǒng)在350 m3/h的阻力與單葉輪數(shù)值計(jì)算的壓力理論上基本接近，空氣凈化器整機(jī)最大風(fēng)量基本在葉輪的設(shè)計(jì)工況附近，因此測(cè)試整機(jī)結(jié)果可以作為單葉輪優(yōu)化結(jié)果的主要參考依據(jù)。

3.1 整機(jī)性能試驗(yàn)

為進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)葉片數(shù)為11的葉輪進(jìn)行手板制作，7葉葉輪和11葉手板葉輪如圖10所示，并對(duì)帶有濾芯的空氣凈化器整機(jī)進(jìn)行風(fēng)量試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖10 不同葉片數(shù)葉輪結(jié)構(gòu)

表3 整機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出葉片數(shù)增多，其整機(jī)風(fēng)量增加約2.5%，功率微增，與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)基本一致。

3.2 整機(jī)噪聲試驗(yàn)

對(duì)原機(jī)整機(jī)和手板（11葉）整機(jī)進(jìn)行噪聲聲功率測(cè)試，試驗(yàn)在半消音室中進(jìn)行，測(cè)試方案按GB/T4 214.1-2017標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)量表面為帶有9個(gè)測(cè)點(diǎn)的矩形六面體進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示?；诼晧悍ǖ穆暪β蕼y(cè)量，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖11 空氣凈化器整機(jī)測(cè)點(diǎn)布置

表4 整機(jī)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到，手板（11葉）的整機(jī)聲功率級(jí)較原機(jī)降低了0.8 dB（A），手板（11葉）的風(fēng)量較原機(jī)增大了2.5%，理論上噪聲總值會(huì)隨風(fēng)量的增大而增大，而手板（11葉）的噪聲總值確有所降低，說(shuō)明葉輪葉片數(shù)增多對(duì)其寬頻噪聲的有所改善，同時(shí)噪聲降低也是葉輪內(nèi)部流場(chǎng)改善的一個(gè)較為明顯的體現(xiàn)，因此在優(yōu)化改進(jìn)風(fēng)機(jī)噪聲時(shí)，通過(guò)減小葉輪內(nèi)部渦流，提高葉輪內(nèi)部流體流通能力，提升葉輪效率，也可以作為降低寬頻噪聲一個(gè)參考指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)特高比轉(zhuǎn)速的離心風(fēng)機(jī)，其葉片數(shù)對(duì)葉輪內(nèi)部有較大的影響，主要是對(duì)靠近前蓋板處的渦流有一定的影響，葉片數(shù)較少時(shí)，葉輪內(nèi)部的流動(dòng)容易產(chǎn)生流體分離，但葉片數(shù)過(guò)多時(shí)，會(huì)使葉片流道通流面積減小，流動(dòng)發(fā)生阻塞，使風(fēng)機(jī)流量降低，在高比轉(zhuǎn)速下離心葉輪的葉片數(shù)的選擇一般會(huì)大于推薦值［9］，合理的葉片數(shù)是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)特別是高比轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要；

（2）通過(guò)減少葉輪內(nèi)部的渦流可以降低由葉輪內(nèi)部渦流引起的寬頻噪聲，在數(shù)值計(jì)算中效率是一個(gè)較為關(guān)鍵的參數(shù)，一般針對(duì)單葉輪而言，內(nèi)部渦流減少，單葉輪的效率會(huì)提高，同時(shí)寬頻噪聲會(huì)有所降低，對(duì)于高比轉(zhuǎn)速的離心葉輪，適當(dāng)?shù)脑龃笕~片可以降低噪聲，為葉輪的設(shè)計(jì)提供一定的參考。