多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析.pdf

流体机械广泛应用于气、液输送的多种场合，是相关设备的核心动力部件 进一步提高其叶轮及相关流道的设计和工艺水平，优化运行效率，不仅是中国节能减排、可持续发展战略的重要发展方向，更有利于提高国产装备国际竞争水平 叶轮机械动静部件及流固两相的相互耦合产生的运行稳定性及噪声问题则是当前行业所面临的难点问题 因此，精细化分析流体机械复杂内流特征，深入了解设备系统不稳定性及噪声的形成机理，对相关设备高效低噪稳定运行具有十分重要的意义 结合近期国家重点课题对叶轮机械内部流动精细化研究的要求，以及各重点产学研项目对相关产品的高效低噪化设计需求，排灌机械工程学报 和华中科技大学流体机械专家王军教授共同组织推出“叶轮机械复杂内流演变与控制”专栏，在 年第 期刊出，主要内容围绕叶轮机械设计改进、内流特性及增稳降噪研究最新动向及成果，解决当前小型叶轮机械在实际产品整机中运行时面临的技术难题专栏主编简介：王军，华中科技大学教授、博士生导师，中国工程热物理学会理事，中国机械工程学会流体工程分会委员，中国农业机械学会排灌机械分会委员，主要从事流体机械内流理论、试验及噪声控制研究蒋博彦多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析蒋博彦，施旭娜，肖千豪，李斌，王军，司巧玲（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 ；宁波方太厨具有限公司，浙江宁波 ；武汉市口区生态环境事务服务站，湖北 武汉 ）收稿日期：；修回日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：中国博士后科学基金资助项目（）第一作者简介：蒋博彦（），男，江西景德镇人，博士（），主要从事叶轮机械设计、优化及非定常流动研究通信作者简介：王军（），男，陕西西安人，教授（），主要从事流体机械复杂内流理论、试验及噪声控制研究摘要：在限定直径下对某吸油烟机用多翼离心风机的单圆弧叶片进行双圆弧改型，研究了加、减速 种双圆弧叶型对风机性能的影响，并对单双圆弧叶型各自的性能优势展开对比分析 通过计算流体力学数值预测不同叶型方案的整机风压及效率，确定单圆弧叶片进口安装角的最佳取值区间应在最小冲击损失设计的基础上预设 冲角，而综合风机压力和效率，单圆弧叶片出口安装角的最佳取值为 对于进口安装角匹配不佳的单圆弧叶片，采用减速型双圆弧叶片可同时提高风机压力和效率；但对于已经优选过的单圆弧叶型，则反而需向加速型双圆弧改型，风机压力小幅度提高但效率稍有降低 对比同叶片进出口角的单圆弧叶片，加速型双圆弧叶片做功重心前移的同时，吸力面二次分离得到抑制；其叶道更难被蜗舌回流贯穿，有利于风机小流量工况下的气动性能关键词：多翼离心风机；双圆弧叶片；叶片设计；数值计算；气动性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：蒋博彦，施旭娜，肖千豪，等 多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析 排灌机械工程学报，（）：，（），（）：（）排灌机械工程学报第 卷 ，（，；，；，）：，：；多翼离心风机较同尺寸下其他型式风机压力高且噪声更低 ，广泛用于空气净化器、吸油烟机及新风系统等家电中 合理的叶片设计可减小叶道中流动损失、增强叶轮做功，是改善风机性能的关键前弯离心叶片的经典设计思路基于预估叶片形状与叶道做功、流动阻力间的联系，尽可能地削弱离心叶轮中的分离、尾迹等流动损失 沈天耀 从抑制叶片表面边界层的增长出发，给出较合理的吸力面速度分布，并反推叶片型线 郭宪民等 则在边界层计算中进一步考虑叶道旋转和流线曲率对叶道中动量输送的影响，试验表明，加载式叶片能较好地抑制叶面边界层的增长和分离，流动损失较小 王瑞等 直接将最小边界层损失理论及控制速度分布方法用于多翼离心叶片设计，取得了不错的效果 然而，多翼离心风机吸力面分离极为严重 ，边界层厚度及损失计算公式准确预估叶道中的流动损失；并且前弯叶道中的平均相对速度是先减后增，而绝非理论上最优的单调减状态，“载荷法”是否依然适用于多翼离心风机还值得进一步讨论 综合考虑加工的成本和便利性，多翼离心风机在工程上仍大量采用单圆弧直叶片，因其只需确定内、外直径及相应叶片进出口角，即可快速求解叶型 黄宸武等 通过正交试验总结认为，叶片出口角对风机综合性能的影响最显著，其次是进口角和内外径之比，叶片数影响最弱 刘小民等 研究表明叶片出口安装角在大于 之后，不仅对风机流量、压力不再有明显增益，反而会使整机噪声不断增大，出口角取 时风机气动性能综合最佳 于思琦等 同样认为叶片出口角取值存在最优区间，但对其所研究的机型而言，最佳叶片出口安装角为 可见不同机型或基于不同设计目标所得到的各参数最优区间不尽相同 单圆弧叶片的曲率沿流向为定值，并不完全符合离心叶道（尤其是前向叶道）的流动特征 因此部分性能要求较高的风机产品采用形状更复杂的叶型，如双圆弧叶型 ，该叶片由 段不同曲率的圆弧连接而成，可实现对叶道气流的分段导向和加速，具有更优的气动性能 更有部 第 期蒋博彦，等多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析分家电用多翼离心风机采用三圆弧、三次样条曲线 、贝塞尔曲线 来参数化叶型，但实际应用中并未显示出比双圆弧叶型明显更优的性能文中基于 数值计算，分析叶片进、出口安装角对风机最高效率点风压、效率的影响 并进一步对比加、减速 种双圆弧叶型对风机性能的影响规律，探讨如何为多翼离心风机设计并优选双圆弧叶片 详细对比优选双圆弧叶片及同进出口角单圆弧叶片间流动分离、叶片尾迹以及小流量工况下叶道回流的异同，总结单、双圆弧各自的性能优势 双圆弧叶片设计 双圆弧叶片参数化双圆弧叶片型线由首、尾 段圆弧相切连接而成，如图 所示，除叶轮内径、外径，叶片进、出口安装角 ，外，设计参数还包括 段圆弧的半径 ，及相应圆心角，图 双圆弧叶型设计 上述参数并非完全独立，确定其中部分即可获得叶型 在叶轮直径及出口角不变的前提下，王湛 选取叶片进口角 、首段圆弧中心角 及 段圆弧半径之比 表达叶片形状，该定义方式较直观地表现了双圆弧叶片的形状，却不易为同类叶轮的设计提供参考 文中采用张晓伟等 的参数化方法，通过改变两圆弧切点处的半径 及相应叶片角 构造各种双圆弧叶型，并进一步以首、尾两段圆弧间的径向跨度和折转角之比定义切点 的位置：（）（），（）（）（）（），分别为中间圆系数及叶片角系数 确定叶轮内、外径和叶片进、出口安装角后，通过 和可反求切点 所在半径 以及对应叶片气流角 以 和，和 为内、外径，以 和 ，和 为进、出口安装角，分别画出首、尾两段圆弧，首尾相接即可得完整双圆弧叶型 加、减速双圆弧叶型图 为加、减速双圆弧叶型的气流角分布及叶型对比，图中 为叶片型线径向距离 处的相对半径，即（）（）（）图 加、减速双圆弧叶型的气流角分布及叶型对比 其中单圆弧叶型的 分布为连续曲线，起、止点坐标分别为 （，）和 （，），对应叶片前、尾缘相对半径和安装角；而双圆弧叶型的 角分布则相应由 条曲线 和 连接而成，连接点对应首、尾圆弧的切点，坐标为 （，）在单圆弧叶片 分布曲线 上绘制与 点处于相同半径的点（，），对应的叶片角系数为 依据点 相对于 的位置可将双圆弧叶型分为 类：当 大于 时，点位于 上方，叶片前段的气流角增长快于原单圆弧，而后段则更慢，呈先急后缓的趋势，此时 而当 小于 时，点位于 下方，叶片气流角增加先缓后急，此时 两者分别可称为加速和减速双圆弧叶型，如图 所示，相对于单圆弧叶型，加速双圆弧叶片弦长增大、尾端曲率更小；而减速双圆弧叶片弦长减小、尾端曲率更大 记 为双圆弧系数，其值离 越远，双圆弧叶型与基础单圆弧叶型间的差别越大 计算模型及数值方法文中研究基于某吸油烟机用小型多翼离心风机 该风机叶轮内、外直径 ，进、出口安装角分别为 ，排灌机械工程学报第 卷圆弧半径 及圆弧中心角 图 为包含该风机的烟机整机计算域及网格模型，整个流域划分为进气域、烟机域、风机域及出口域，其中进气域为方腔形，还原试验时的真实进气环境，进口边界为质量流量入口；出口则直接将出口法向延长形成出口管，出口边界采用自由出流 数值计算在商用软件 中进行，介质为理想不可压缩气体，湍流模型采用 模型 ，其被认为能准确计算多翼离心风机内流 速度 压力耦合格式为 ，标准压力修正方法，方程离散均采用二阶迎风格式，叶轮旋转采用多重参考系模型图 计算域及网格模型 以最高效率点（，）的风机全压预测值为评价指标对模型展开网格无关性验证，结果显示当总网格数超过 后，预测全压不再随网格数明显变化，最终模型总网格数约 数值所得性能曲线与试验结果的对比见文献 ，两者变化趋势较为吻合，最大相差约 ，因此可认为基于文中数值模型的计算准确可靠 仿真结果分析 单圆弧叶片进、出口角对风机性能的影响 主张以极小入流相对速度为原则选取叶片进口安装角，即 与进口处气流角相等，从而将气流进入叶道时的冲击损失减至最小 然而该方法未考虑前向叶片普遍存在且难以避免的气流冲角，因此并不适用于前向叶片 前向叶片进口角选取普遍采用的方法是在理论进口气流角的基础上再预先加上一定的冲角 ，即，（）式中：为叶片入口前的气流角，（）；为叶片入口前的平均气流径向速度，；为叶片入口处的圆周速度；为预估冲角，推荐的经验值为 图 为叶片出口安装角固定为 ，及 时，进口安装角对风机 工况全压和效率的影响规律，图中 为风机的全压系数，为相应的全压效率图 单圆弧叶片进口安装角 对风机气动性能影响规律 由图 可知，在 ，过大或过小的进口安装角均对风机气动性能不利，风机全压和效率随进口角的增大均呈先增后减的变化趋势 压力最高的进口角范围在 左右，而效率最佳的进口角范围则更小，约为 叶轮宽度 为 ，该工况下叶轮转速 ，总风量 ，叶片入口气流角 为 ，按前式反推，最优进口角的预估冲角 约为 ，大于文献推荐值图 为进口安装角为 ，和 时，风机 工况全压、效率随 的变化规律 随 由 逐渐增大至 ，风机全压均相应逐渐提升，但增大速率各不相同 其中 时风压随出口角增大的速度最快，次之，最慢 风机效率则呈现不同趋势 当进口角最小为 时，其与进口气流最接近，风机效率整体较高，而 时，风机效率随出口角的增大先增后减，并在 达到最高；而对于 这样的较大进口角，风机效率随出口角的增大直接下降，并且 后风机效率加速下降 综上，若仅以最高压力为设计准则，越大越好；而若要兼顾风机效率，不建议取值大于 ，取值 第 期蒋博彦，等多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析 最佳图 单圆弧叶片出口安装角 对风机气动性能影响规律 叶型双圆弧改型优化进、出口安装角的最优取值范围分别为 左右和 综合考虑风机压力和效率，同时为了便于和原叶型形成对比，优选单圆弧叶片的出口安装角与原叶型相等，而进口安装角则选取效率更高的设计取值 ，并将该参数组合记为叶型 基于原叶型以及叶型 分别展开双圆弧改型，分析同叶片角下加、减速双圆弧叶型对风机性能的影响规律图 为在原叶型（，）基础上，加、减速双圆弧改型方案的风机气动性能 不论中间圆系数 取 ，或 时，即采用加速型双圆弧叶片将使风机性能逐渐递减；反之采用减速型方案却带来风机压力和效率的双重提升 然而，型线改型所带来的性能提升远不如对叶片进口角的调整，可见叶型 相对于原型仅仅是进口角的修改，其气动性能已高于基于原型改型所得双圆弧叶型方案 进一步基于叶型 展开双圆弧改型，种 下加、减速双圆弧改型方案的风机气动性能变化曲线如图 所示，可见 对风机性能的影响规律与图 几乎完全相反 此时，采用减速型方案将导致风机压力迅速下降，反而是加速方案使叶片做功获得进一步提升；同时由于叶型 的进口安装角已达较优水平，此时进行的双圆弧改型对效率具有小幅的负面影响 中间圆系数 对双圆弧叶片性能的影响似乎较小 基于叶型 的双圆弧改型建议采用 介于 的加速型双圆弧叶片图 双圆弧改型对风机气动性能影响规律（，）（，）图 双圆弧改型对风机气动性能影响规律（，）（，）文献 通过 算法对同款风机叶片展开优化，所得最优双圆弧叶型的参数为 ，与文中单圆弧优选、双圆弧改型两阶段筛选所得的双圆弧参数的建议范围十分接近 文中将其作为最终双圆弧 排灌机械工程学报第 卷叶型优化结果，记为方案 文献 对该优选双圆弧方案进行了加工制作，并在相同试验环境下测量其气动性能，结果表明新叶轮的吸油烟机整机性能全工况超越原机，其中 工况压力提升约 ，流量系数 的偏小流量工况整机风压提升幅度更高，达 全工况风机效率提升约 加速型双圆弧叶片内流及气动特性叶型方案 相对于原叶片的性能提升得益于叶片角和叶型变化的共同作用 但从控制变量的角度，两者间的对比不足以说明单、双圆弧叶型各自的内流特点和性能优势 因此基于优选双圆弧叶型设计进出口角与之一致的单圆弧叶型 ，并对两者展开对比分析，两者叶片形状如图 相对于单圆弧，加速型双圆弧叶片构成叶道更为狭长 图 为两叶片的气流角径向变化曲线，双圆弧叶型前段圆弧曲率半径小、偏折较快，叶片气流角迅速增加到较高水平，在后半段才放缓 双圆弧叶片的气流角曲线全程位于单圆弧曲线的上方图 同进出口角单、双圆弧叶型及气流角变化规律 图 为两方案 模拟所得量纲一参数性能曲线的对比 图中为风机流量系数，而 为风机的静压系数图 同进出口角单、双圆弧叶片模拟气动性能 加速双圆弧叶片方案的压力在整个工况范围内获得比对应单圆弧方案更高，并且增幅在偏小和偏大流量下均较 工况稍有增大 但加速型双圆弧叶片方案的效率在 及更大流量工况低于单圆弧方案，这与图 所示的性能变化规律相吻合但在 后的小流量工况，双圆弧方案效率反而更高图 为采用单、双圆弧叶型的风机在 工况运行时，中盘截面方位角 附近的叶道相对速度云图图 同进出口角单、双圆弧方案叶道相对速度 图 中色块以叶轮相对速度 与叶轮外缘线速度 之比显示 两方案叶片进口安装角相同，但入口气流与叶片前缘的冲击情况完全不同：其中单圆弧方案的气流冲角明显小于双圆弧叶型，吸力面一侧的低速分离区明显更小；但在某些叶片却同时出现负冲角，反而造成叶片压力面附面层增厚，叶道气流的方向偏折主要由叶片压力面完成，因此不利于叶片压力面上的能量传递 此外，对前向叶片而言，叶道压力面必然先于吸力面达到尾缘，因此叶道末端将有一段气流处于无约束状态，单圆弧叶片气流角在末端呈加速增大的趋势，附着到叶片吸力面的气流极容易发生二次分离，并在叶片厚度的共同作用下，于叶片尾缘产生较大的尾迹 如图 所示，双圆弧叶片尾段的气流角变化则相对缓和，二次分离得到抑制，叶片尾迹相对减弱图 为两方案相应的叶道做功径向分布，其中半径 处相对于叶轮入口的压力系数定义为 ，（）式中：为半径 环面上的平均全压；为叶轮进口环面上的平均全压两方案叶轮 处压力系数几乎相等，说明气流通过两叶轮时所获得的总能量相差不大，但叶道中的增压模式明显不同：与叶片 角随 的变化趋势相似，双圆弧叶道前半段的压力增长速度明显 第 期蒋博彦，等多翼离心风机双圆弧叶片设计及其性能优势分析快于单圆弧叶道，做功重心相对前移 另一显著差异在 范围内，即尾迹区中，单圆弧叶片相对更强的尾迹在叶轮出口产生显著的损失，压力系数明显减小；而双圆弧叶片的尾迹损失明显减小，压力系数的下降趋势很快停止图 同进出口角单、双圆弧叶片做功能力径向分布 统计单、双圆弧风机方案各工况蜗舌回流流量在总通流量中所占比例，记为叶轮回流率 ，曲线如图 所示图 同进出口角单、双圆弧方案叶轮回流率 不同型线的叶轮回流率随风机流量的减小逐渐增大，并且双圆弧方案的叶轮回流率低于同叶片角下单圆弧 说明双圆弧叶型较同进出口角的单圆弧叶型抗压性更强 正如图 所示，其相对同叶片角单圆弧叶片的增压效果在小流量工况下更显著，效率也实现反超 结论基于某吸油烟机用紧凑型多翼离心风机展开一系列单、双圆弧叶型方案的性能和内流对比，可得以下设计建议：）单圆弧叶片的进口安装角 的选取应在最小冲击损失设计的基础上预设 冲角 如仅以最高压力为设计准则，出口安装角 越大越好；若要兼顾风机效率，应取值 ）同直径、进出口安装角下，单圆弧叶片向双圆弧改型可拓展风机性能 对于进口安装角匹配不佳的叶片，采用减速型双圆弧叶片可同时提高风机压力和效率；但对于进口安装角匹配本就较好的叶型，则反而需采用加速型双圆弧叶片，以效率的微小下降为代价换取风机压力的进一步提高）与同直径、进出口角的单圆弧叶片相比，改型双圆弧叶片所形成的较长收缩叶道能更好地加速和偏折叶道气流，叶道做功重心前移 吸力面二次分离得到抑制的同时叶道更难被蜗舌回流贯穿，有利于风机小流量工况下的气动性能参考文献（）：，沈天耀 前向叶轮的流动模型及其设计计算方法 清华大学学报（自然科学版），（）：（），（）：（）郭宪民，朱报祯 离心通风机叶轮叶片型线研究及边界层计算 西安交通大学学报，（）：，（）：（）王瑞，王灿星 控制速度分布的多翼离心风机优化设计 风机技术，（）：，（）：（），（）：成心德 对前向离心通风机设计中若干问题的探讨与建议 风机技术，（）：，（）：（）赫英歧，隽成林，韩华，等 扭曲叶轮对多翼离心风机内流及噪声特性的影响分析 机电工程，（）：，排灌机械工程学报第 卷 ，（）：（）黄宸武，区颖达，张吕超，等 多翼离心通风机叶轮主要特征参数的试验分析 风机技术，（）：，（）：（）刘小民，汤虎，樊涛，等 多翼离心风机叶片出口安装角对吸油烟机性能影响的实验研究 风机技术，（）：，（）：（）于思琦，吴大转，杨帅 叶片出口角对多翼离心风机性能影响的数值研究 流体机械，（）：，（）：（）王湛 双圆弧叶片多翼风机内流场的数值模拟及叶型研究 济南：山东大学，左文泉，田新诚 多叶风机匀加速叶道理论型线及叶型近似作图法 风机技术，（）：，（）：（）雷海波 多翼离心风机的 分析及其前后处理相关程序的开发 武汉：华中科技大学，张力 空气清新机用多翼离心风机的改进设计研究 西安：西北工业大学，张晓伟，杨爱玲，陈二云 离心风机双圆弧型线的气动特性研究 能源工程，（）：，（）：（），（）：，：，杨伟刚，蒋博彦，赵康发，等 多翼离心风机数值模拟中湍流模型的适用性研究 流体机械，（）：，（）：，（），：，（）：（责任编辑朱漪云）