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空调用多翼离心通风机几何建模的参数化

admin    
 

空调用多翼离心通风机几何建模的参数化

张师帅 李伟华 / 华中科技大学能源学院

摘要:根据几何关系,建立了空调用多翼离心通风机的三维数学模型,实现了空调用多翼离心通风机几何建模的 参数化。本研究成果极大地缩短了 空调用多翼离心通风机CFD分析的前处理时间。
关键词:多翼离心式通风机 ; 几何建模; 参数化
中图分类号: TH432    文献标识码: B
文章编号:1006-8155(2007) 05-0026-04
Parameterized Geometry Model of Multi-blade Centrifugal Fan Used by Air Conditioning
Abstract: According to the relation of geometry, the 3-D mathematical model of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning is obtained and the parameterized geometry model of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning is realized. The results reduce extremely the CFD preprocessor time of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning.
Key words: multi-blade centrifugal fan; geometry model; parameterize

0  引言

  多翼离心通风机因其压力系数高,流量系数大,结构尺寸小,噪声低而广泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合。空调用多翼离心通风机具有 叶片数多、叶片曲率大、流道短等特点,目前的设计方法还不太完善,有关叶轮参数的确定仍依靠经验公式。因此, 为了确保所设计的多翼离心通风机性能稳定,通常需要进行大量试验,这将使得产品的研发周期长,费用高[1]
  研究表明:在 多翼离心通风机 设计过程中进行计算流体动力学分析(CFD),不仅可以使设计人员获得产品的内部流动情况,而且还可以使设计人员在设计过程中预测产品的整体性能,及时调整设计方案[2]
   然而,目前在采用通用的计算流体动力学软件(如FLUENT)进行多翼离心通风机性能分析时,若叶轮几何参数稍有变化,或者叶片数目有所调整,或者蜗壳型线有所变化,或者电机型号更改,都必须重新对它进行几何建模和网格划分等前处理工作,这将花费大量的时间和精力。因此,针对空调用 多翼离心通风机的特点,建立风机各个部件的数学模型,实现整机几何建模的 参数化,这对于缩短CFD分析前处理时间具有重要的现实意义。

1 几何建模

  空调用多翼离心通风机通常由叶轮、蜗壳、集流器、电机四大部件构成,每个部件都具有各自的结构特点,且对整机性能产生影响。若要实现整机 几何 建模的 参数化,首先必须建立各个部件的数学模型。

1.1 叶轮建模

  多翼离心通风机的叶片翼型通常都基于某种原始翼型,设计时可根据需要进行选择。对于叶片翼型的这种可选择性,可以采用数据库的方式来实现。
叶片造型的主要参数为
(1)叶轮外径D2
(2)轮径比x
(3)进口安装角b1A
(4)出口安装角b2A
(5)叶片数z
(6)叶片长度L
   另外,多翼离心通风机翼型中线的形状一般采用两种形式构成,即圆弧形和抛物线形。其中,圆弧形又包括单圆弧和双圆弧,或者它们与直线的组合。具体为单圆弧、单圆弧+直线、双圆弧、双圆弧+直线4种组合。由此可知,加上抛物线形,翼型中线形状共有5种类型。

  对于上述5种翼型中线,叶片造型所需参数稍有不同,除了前面介绍的6个基本参数外,可能还需要增加某些参数。
   对于单圆弧,只需6个基本参数,无需再增加参数。单圆弧翼型中线的几何关系如图1所示
   通过几何关系,计算获得叶片造型所需的主要参数。

  对于单圆弧+直线,除需6个基本参数外,还需要给出直线位置x1,以帮助确定翼型中线从哪个位置开始为直线。
  对于双圆弧,除需6个基本参数外,还需要给出最大挠度位置x2,以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点(即切点)。
  对于双圆弧+直线,除需6个基本参数外,还需要给出直线位置x1和最大挠度位置x2,以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点(即切点),以及翼型中线从哪个位置开始为直线。
  对于抛物线,只需6个基本参数,无需再增加参数。
  对于上述4种翼型中线的叶片,其几何关系与单圆弧相类似,故在此不多述。
  而对于叶片的旋转以及 沿半径方向平移至圆周等,则可见文献[3] 。
  这样在确定了叶片翼型、翼型中线以及叶片造型的主要参数之后,就可以实现叶轮的参数化建模了。

1.2 蜗壳建模

  蜗壳是多翼离心通风机的一个重要组成部分,其作用是将离开叶轮的气体集中、导流,并将气体的部分动能转变为静压能。
  蜗壳型线一般有等边基和不等边基两种,设计时可根据需要进行选择。
  蜗壳造型的主要参数为
(1)开度A
(2)宽度B
(3)出口长度C
(4)扩压器长度E
(5)扩压器内侧倾角 q 1
(6)扩压器外侧倾角q2
(7)蜗舌间隙t
(8)蜗舌圆弧半径r
   蜗壳的具体作图方法见文献[4] ,这里不再赘述。

1.3 集风器建模

  集风器(或进气口)的作用是保证气流能均匀充满叶轮进口截面,降低流动损失。集风器有很多种类型,如:圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形及锥弧形等,设计时可根据需要进行选择。
   集风器的主要设计参数为
(1)进口直径d1
(2)出口直径d2
(3)锥角q
(4)圆弧半径r1
(5)集风器长度F
   集风器的设计是一个简单的点线面体过程,通过以上参数可计算出集风器5个关键点的坐标,然后连点成线,再连线成面,最后旋转得体。

1.4 电机建模

  空调用多翼离心通风机通常都自带电机,电机一般存在内置和外置两种安装方式,而离心通风机通常具有 单吸和双吸两种类型,这样可能产生4种不同组合,建模时可根据需要进行选择。
  电机的主要设计参数为
(1)电机直径de
(2)电机轴径dx
(3)内置长度Li
(4)轮盘厚度h
   通过以上各参数可以调整电机的尺寸与布置,完成电机建模。
   软件还提供了一个电机数据库,可以选择数据库中现有的电机类型,也可以将数据存贮到数据库,方便下次使用。

2 应用举例

  某空调用多翼离心通风机的设计参数为
   (1)叶轮:采CW-1翼型,中线形状为双圆弧加直线。叶轮参数为外径D2=340mm,轮径比x=0.824 ,进口安装角b1A=61°,出口安装角b2A=143°,叶片数z =35 ,叶片长度L =130mm,直线位置x1=0.845 弦长,最大挠度位置x2=0.4 弦长。
   (2)蜗壳:采用不等边基型线。蜗壳参数为 开度A=87mm,宽度B=158mm,出口长度C=278mm,扩压器长度E=350mm,扩压器内侧倾角q1 =30°,扩压器外侧倾角q2=6°,蜗舌间隙t=20mm,蜗舌圆弧半径r=20mm 。
  (3) 集风器: 进口直径d1=400mm ,出口直径d2=340mm ,锥角q =60°,圆弧半径r1=30mm ,集风器长度F=80mm 。
  (4)电机:风机采用单吸式,电机为内置安装。电机参数为电机直径de =130mm ,电机轴径dx =12mm ,内置长度Li=91mm ,轮盘厚度h=8mm 。 研发的程序运行界面如图2所示。

  

 

图 2 程序运行界面

  输入设计参数,通过程序计算获得多翼离心通风机各部件的三维数学模型,将坐标数据文件导入 Gambit中,建立各部件三维实体模型,结果如图3所示。

  

   图3 各部件三维实体模型

3 结论

  空调用多翼离通心风机几何 建模 的参数化,可以实现针对各种设计参数的多翼离心通风机进行快速几何 建模,这极大地缩短了前处理时间,提高了CFD分析的效率,并为进一步实现空调用 多翼离心通风机的优化设计打下了坚实的基础。

参 考 文 献

[1] 武晓芳,区颖达.空调用多翼离心风机叶轮的性能预估[J].华中科技大学学报,2003(10):69-71.
[2] W. N. Dawes, P. C. Dhanasekaran, A. A. J. Demargne, W. P. Kellar, A. M. Savill. Reducing Bottlenecks in the CAD-to-Mesh-to-Solution Cycle Time to Allow CFD to Participate in Design. Journal of Turbomachinery, Transaction of ASME, July 2001, Vol.123 : 552-557.
[3] 张师帅,罗亮.空调用贯流风机叶轮几何建模的参数化[J]. 风机技术,2006(5):14-16.
[4] 李庆宜.通风机[M].北京:机械工业出版社,1981.

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  评论人:婀樻江姣涘コ澹玞N   打分:100 分  发表时间:2015-9-4 11:30:44
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  评论人:college   打分:0 分  发表时间:2014-9-11 13:03:59
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  评论人:vito   打分:100 分  发表时间:2010-7-6 15:54:22
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