張 琦 邵準遠 徐淑君/浙江上風高科專風實業(yè)有限公司

雙進氣高效離心風機的設計優(yōu)化

張 琦 邵準遠 徐淑君/浙江上風高科專風實業(yè)有限公司

0 引言

離心通風機在工業(yè)生產中應用最為廣泛。目前投入運行的離心通風機普遍存在效率低，能耗高等問題。如何提高風機性能、提高效率、降低噪聲是目前科研人員首要解決的問題[1-3]。

雙進氣箱體離心通風機具有流量大、比轉速高、噪聲低等特點。但目前市場上該類型風機效率普遍很低。

常超[4]等通過CFD模擬仿真對雙進氣后向離心風機進行優(yōu)化設計，結合樣機試驗，表明CFD模擬仿真精度在5%以內，提高了風機效率。付望鋒[5]等采用Fluent軟件對多翼離心風機進行模擬仿真，分析風機內部三維流場，計算結果和實測的基本一致。Chen-Kang Huang[6]對后向機翼型離心風機氣動優(yōu)化設計，分析了葉片安裝角、葉片數(shù)、蝸舌距離以及蝸型線對風機氣動性能的影響。

本文以雙進氣離心風機為研究對象，分析單葉輪設計參數(shù)，確定風機蝸殼型線、蝸殼寬度、集流器的設計。在概念設計的基礎上，對雙進氣葉片對齊、雙進氣葉片錯位、單進氣葉輪這三個模型進行氣動分析，分析這個模型的流場分布情況，分析單進氣和雙進氣模型的流量、全壓、效率的關系，為雙進氣風機提供設計基礎。

1 風機概念設計

本公司某雙進氣后向離心式箱體風機，內效率為67%（不包含外箱時測試）。首先對原風機模型進行CFD數(shù)值模擬仿真，氣動三維計算模型圖見圖1。風機流量、全壓及效率的計算值和實測值基本吻合（如圖2和圖3），在某種程度上，CFD計算模擬分析可以代替樣機試驗。風機流場和壓力分布圖見圖4，流場相對比較復雜，葉輪出口的沿周向氣體速度和壓力不均勻。葉片出口附近存在較為嚴重的邊界層分離現(xiàn)象[7-8]。葉片表面存在附面層，隨著葉輪旋轉，吸力面和壓力面附面層的結構和形態(tài)是不同的。葉片吸力側形成的低能流積聚的“尾跡區(qū)”，形成“射流-尾流”結構。尾跡區(qū)減少了流道有效通流面積，對風機性能形成產生不良影響[9]，同時這種“射流-尾跡”結構為低能團，主要分布在葉輪出口的吸力面附近，隨著葉輪的旋轉被甩到蝸殼流道中，低能團會破碎，形成更小的渦，最終以熱能的形式耗散。低能團內部壓力低，破碎后會形成壓力波，影響風機的穩(wěn)定運行。因此要對原風機進行優(yōu)化設計。

雙進氣離心風機目標設計參數(shù)：風機設計流量Q= 18 416m3/h，風機全壓p=737Pa，葉輪直徑D2=642mm。

根據(jù)以上參數(shù)，分析單葉輪設計參數(shù)，總體設計參數(shù)如下：

a.單葉輪流量Q/2=9 208m3/h，全壓737Pa，風機轉速1 210r/min;

b.葉片數(shù)為12，葉輪直徑D2=642mm，葉輪進口直徑DS=442mm，葉片出口寬度B2=219mm，葉片進口寬度B1=223mm;

c.蝸殼型線基于Pfleiderer法設計，把圓蝸殼改為方蝸殼（如圖5）。用此方法設計蝸殼型線，蝸殼型線相對比較大，也就是風機體積比較大，耗費的材料多，但風機氣動性能比較好。通過計算分析，蝸殼寬度確定為450mm；

d.集流器采用錐弧線，使氣流平穩(wěn)，減少流動損失。

根據(jù)單葉輪氣動設計，設計雙進氣風機模型（如圖6）。雙進氣和單進氣風機的蝸殼型線、集流器相同；雙進氣葉輪通過單葉輪鏡像，錯位；蝸殼寬度選擇840mm。

2 CFD模型的建立

2.1模型預處理及網(wǎng)格劃分

在Solidworks中建立三維模型。把風機計算域分為兩個部分，轉子部分的旋轉域以及其他部件組成的流場域（采用相對坐標系進行計算）。兩個域通過interface連接，進行質量、動量以及能量傳遞。

由于影響離心風機性能的關鍵部位為葉輪、蝸舌、集流器及徑向間隙，因此為了計算的準確性，對這三個部件進行網(wǎng)格特殊加密處理。通常，離心風機出口處存在回流現(xiàn)象，為了方便計算，在風機的進出口處都適當?shù)难娱L。

離心風機結構相對比較復雜，用結構化網(wǎng)格難度大，研發(fā)周期長，并且結構化網(wǎng)格很難處理“徑向間隙”等問題，導致計算性能偏高。而非結構化網(wǎng)格對幾何的適配性非常強，處理徑向間隙相對比較容易。離心風機轉子離靜止部件比較遠，邊界層影響較軸流風機小很多。為了準確計算風機性能，我們采用非結構網(wǎng)格進行計算，網(wǎng)格數(shù)為1 200萬（如圖7），網(wǎng)格質量0.4以上，在大型工作站中完成本模型的計算仿真。

2.2計算模型的設定

為了保證計算精度，首先對模型進行穩(wěn)態(tài)模擬，在穩(wěn)態(tài)模型的基礎上，以穩(wěn)態(tài)模型為初始條件，進行瞬態(tài)計算。

穩(wěn)態(tài)模型計算設置如下:

計算模型為穩(wěn)態(tài)；流體介質為完全氣體（Air Idea Gas）;轉子轉速為1 210r/min;湍流模型采用k-ε模型；邊界條件:1）進口選用全壓，2）出口選用流量，3）固體壁面采用無滑移光滑壁面，壁面函數(shù)為Scalable，4）交界面模型采用General Connection，坐標變換模型采用Frozen Rotor,網(wǎng)格連接方式采用GGI；數(shù)值算法：對流項采用High Resolution,湍流數(shù)值算法采用一介格式（First order）。

穩(wěn)態(tài)計算結果是否收斂，很大程度上影響后面瞬態(tài)計算，評價計算結果是否收斂，要綜合以下幾個因素來判斷計算是否已近收斂：1）模型殘差（RMS）達到標準；2）計算物理參數(shù)基本無變化，趨于穩(wěn)定；3）進出口質量差小于0.5%。

模型達到以上三個要求，基本可以斷定模型已經收斂。穩(wěn)態(tài)計算模型的基礎上，穩(wěn)態(tài)計算文件為初始條件，進行瞬態(tài)計算。瞬態(tài)的計算時間步長，根據(jù)風機特征長度，特征速度以及網(wǎng)格特征尺度計算得到。

3 計算結果及流場分析

由表1～3和圖8和圖9可看出，這三個模型計算效率都比較高，都優(yōu)于原始風機模型。雙進氣錯位風機計算最高效率為81.34%，位于全開流量的65%位置，流量為19 615m3/h，全壓為753.8Pa。雙進氣對齊風機計算最高效率為81.67%，位于該風機全開流量的60%位置，流量值為18 228m3/h，全壓為796.2Pa。單葉輪風機計算最高效率80.92%，位于全開流量的55%位置，流量為8 330m3/h，全壓為846Pa?？梢缘贸?，雙進氣風機相對于單進氣風機的最高效率點往大流量偏移，其中雙進氣錯位最為明顯。雙進氣對齊的效率最高，并且高效率工作區(qū)寬。

表1 雙進氣葉片錯位風機性能表

表2 雙進氣葉片對齊風機性能表

表3 單進氣風機性能表

對三個模型的流量進行分析，雙進氣對齊和錯位模型，其流量基本差不多，葉片對齊模型流量稍微偏高；單進氣的流量基本為雙進氣流量的一半。

對三個模型的全壓進行分析，雙進氣對齊和錯位模型，全壓基本差不多。在一定范圍內（55%～100%流量工況區(qū)），單進氣的全壓低于雙進氣模型，平均低了35Pa。在50%全開流量位置，雙進氣風機模型全壓開始回落，而單進氣風機壓力還在上升，雙進氣風機模型喘振提前。

由圖10可看出，這三個葉輪的靜壓分布總體相似，葉片壓力面的壓力高，靠近葉片尾緣位置壓力最高。葉片吸力面壓力低，靠近葉片前緣位置壓力最低，出現(xiàn)相對比較大的負壓。三個葉輪中，單葉輪的吸力面前緣負壓最高，分布相對比較寬，雙葉輪對齊次之，雙葉輪錯位負壓區(qū)相對小。雙進氣葉輪的前盤壓力分布相對比較對稱，單進氣葉輪壓力分布有一定的偏移。

如圖11所示，這三個風機模型的流場情況總體比較好，葉片壓力面和吸力面之間的流道中基本沒有“射流-尾跡”結構，流動損失小，可以預測，由于流動損失導致的噪聲也低。在風機靠近蝸殼附近，存在一條低速區(qū)，雙葉輪對齊和單葉輪的流場情況基本相似，雙葉輪錯位模型最為明顯。這是由于葉片錯位，錯位葉片之間相互推進而產生的結果。

由圖12可看出，雙葉輪錯位風機和單葉輪風機在葉輪上盤和徑向間隙部位，存在比較大的速度梯度，而雙葉輪對齊模型，速度梯度相對比較小，流道更加平滑。雙葉輪錯位的渦流較雙葉輪對齊，其渦的尺度比較大，個數(shù)少。而雙葉輪對齊渦相對比較小，個數(shù)多。這個也是由于葉片錯位，葉片相互推進，把小渦打碎，形成相對比較大的渦。

由于葉片對齊增加了制造加工難度，因此本公司最終研制了雙進氣錯位風機。樣機測試時，在風機進風口有軸套和支架，造成了一定的氣動損失。從圖13和圖14中可看出，風機全壓和效率的理論值都大于實測值（概念設計理論計算時未考慮風機進出口軸套和支架等影響），優(yōu)化后風機計算最高效率為81.34%，而實測值為78.2%，降低了3.1個點。

優(yōu)化后的風機總體效率高于原始風機，效率提高了11.2個點（原模型最高效率67%）。從全開流量到16 000m3/h工況區(qū)間內，原模型和優(yōu)化后模型基本差不多，但是在16 000m3/h以下的小流量區(qū)，優(yōu)化后風機壓力開始回落。

蝸殼型線設計采用Pfleiderer法，通過圓蝸殼改成方蝸殼，蝸殼型線相對比較大，風機體積大，耗費的材料多，成本上升。盡管用此方法設計蝸殼氣動性能較好，但從風機安裝空間和成本方面的考慮，該公司暫未批量生產。

4 結論

本文通過對原風機模型的CFD計算，分析流場分布，發(fā)現(xiàn)流場中存在比較大的“射流-尾跡”結構，造成一定的氣動損失。在此基礎上對風機進行優(yōu)化設計，計算了單進氣單葉輪模型、雙進氣葉片對齊及葉片錯位三個模型，分析這三個模型內部流場分布規(guī)律及氣動性能規(guī)律，為雙進氣離心通風機的設計提供方向。CFD的計算值和實測值基本吻合。

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：本文以對雙進氣離心式通風機進行優(yōu)化設計為目標，以單進氣離心風機模型、雙進氣葉片對齊離心風機模型及雙進氣葉片錯位離心風機模型為研究對象，用CFX軟件分析三個模型的流場分布，并計算其流量、全壓和效率關系，研究其流場分布。本文提供了雙進氣離心風機基礎設計。

CFD；雙進氣離心風機；單進氣離心風機；流場分析

Design and Optim ization of a Double In let for a High Efficiency Cen trifuga l Fan

Zhang Qi,Shao Zhun-yuan,Xu Shu-jun/Zhe Jiang ShangFeng IndustrialHoldingsCo.,Ltd.

CFD;double inlet centrifugal fan;single inlet centrifugal fan;flow field analysis

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）06-0057-06

10.16492/j.fjjs.2016.06.0042

2016-04-20浙江紹興312300

Abstract:This paper provides a basic design method for a double inlet centrifugal fan.For the optimization of the design of the double inlet centrifugal fan,a single inlet centrifugal fan model,a double inlet with aligned blades fan model and double inlet with blade dislocations fan model are analyzed with respect to the flow distribution,total pressure and efficiency by using the CFX software for the threemodels.