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前弯前掠低噪声纺织轴流通风机的优化设计

昌泽舟/东北大学材料与冶金学院    

摘要:从提高纺织轴流通风机效率、降低风机气动噪声的目标出发,采用叶片前弯前掠技术,在叶轮叶片的重心线上各基元截面采用高效翼型的最优化流型成型。应用叶片前弯前掠和最优流型相结合的技术研制开发了JYFZ新型纺织轴流通风机,并与目前纺织行业应用量较大的FZ40(35)-11/12型纺织轴流通风机进行了对比性能测试。结果表明,JYFZ型纺织轴流风机具有效率高、噪声低、质量轻、结构简单及工作区域宽广等特点。

关键词轴流式通风机;噪声;前弯前掠叶片;优化

中图分类号:TH432.1    文献标识码 :B

Optimum Design of a Forward Skewed-Swept Textile Axial-flow Fan with Low-noise

Abstract: From the points of improving the efficiency of textile axial-flow fan and reducing fan aerodynamic noise, the forward skewed-swept blade technique has been adopted and the elementary section on the center line of impeller blade has adopted the optimal flow pattern forming with high-efficiency airfoil. The new type JYFZ textile axial-flow fan has been developed applying the combination technique of forward skewed-swept blade and optimal flow pattern and the aerodynamic performance parameters were measured and compared with those of FZ4035-11/12 textile axial-flow fans. As result, JYFZ axial-flow fan has advantages of higher efficiency, lower noise, less mass, simple structure and wider operation range than FZ4035-11/12 type.

Key Words: axial-flow fan; noise; forward skewed-swept blade, optimization.

0   引言

  纺织企业为了使生产车间保持合适的温度、湿度环境,必须配备专门的空调系统。通过喷淋方式,令空气与水雾直接接触以进行水、气的热湿交换,并通过调整通风机的送风量大小,将调整适当的空气送入车间,以保持车间内空气合适的温、湿度环境。

  纺织空调系统中配套的风机具有风量大、耗能高、运转速度高、噪声大的特点,因而要求纺织空调风机运行效率高、节电节能;风机噪声要低,降低车间环境污染;此外,要求风机运行安全可靠、维修保养简单方便。目前国内用于纺织空调系统中的配套风机主要为江阴精亚集团和常熟鼓风机厂等企业生产的 FZ40(35)-11/12 型、 SFF131-11 型轴流通风机等。

  FZ40(35)-11/12 型轴流通风机,由于具有流量大、压力高、性能曲线平坦、工作范围宽广、结构简单、维修保养方便等优点,在国内纺织空调配套风机中占有非常重要的地位,应用非常广泛。风机叶轮采用了机翼型叶片,并根据传统的风机空气动力设计方法设计成型。但由于传统的风机气动设计方法的局限性,未能从叶片空气动力学的角度降低风机气动噪声考虑,使得该型风机噪声较高,不适合当前纺织企业的环保要求;而从当前节能减排的要求出发,还有必要进一步提高风机效率。另外, FZ40(35)-11/12 型轴流通风机在结构上也有必要进一步改进,以使其结构更加简单实用。

  以往轴流通风机叶轮的气动设计采用的是传统的基于翼型在孤立或者平面叶栅状态下的吹风试验数据的设计方法[1-2],在设计中对于风机叶轮流型和叶轮结构参数的选择上往往采用几种设计方案的对比,其设计时间长,而设计效果往往取决于设计者的经验。

  近年来,国内外对前弯前掠叶片设计技术进行了广泛深入的研究,并将其应用到低压轴流通风机的设计中,有效地降低了风机的气动噪声[3-8]。本文采用前弯前掠叶片设计技术,在叶轮叶片的重心线上各基元截面采用高效翼型成型,并采用最优化理论和数值计算方法,应用Excel电子表格进行新型纺织轴流通风机最优流型的设计计算[9-10] 。即依据风机设计参数,调整叶轮的流型及各种结构参数,诸如叶轮直径、轮毂比、叶片数目等,快速进行多种设计方案的比较,从中选取最优的设计方案。

  文中还介绍了应用该方法进行 JYFZ-1 № 16A 纺织轴流通风机叶轮的优化气动设计,并给出了该风机气动性能试验实测数据与国内同类型风机的实测数据比较。

1  前弯前掠轴流风机叶轮叶片优化设计方法

  前弯指的是叶片的重心型线(沿径向的叶型各截面重心的连线)沿旋转方向弯曲一定角度;而前掠指叶片的中心连线向来流方向倾斜一定的角度。如果叶片前弯的同时中心连线向来流方向倾斜一定的角度就叫前弯前掠叶片。研究表明:采用前掠前弯的叶片设计可以有效地降低轴流通风机的气动噪声。

  前弯叶片可以抽象成为型线和沿径向各基元叶型的组合体。在此模型中,仅考虑弦向尺度对气流流动的影响,忽略弦向尺度在空间位置的差异。为了使讨论简便,假设型线处于旋转平面上。

    

图1 前弯叶片的型线             图2 前弯叶片的几何参数

  如图1所示,将型线上的任一点切线与过这一点与轮毂圆心的夹角,称作为前倾角,用ν表示。将型线上任一点矢线与叶根处的矢线的夹角称为前弯角,以θ表示。其它的相关计算几何参数见图2,根据可供选择的重心型线的特点,可假设:

   

  最常用的型线为直线型和圆弧型:直线型的特点是前倾角从叶根的最大值沿叶高逐渐减小,前倾角和前弯角随半径变化可按照下述方法算得。如图1所示,可得到

   

  而圆弧型的特点是前倾角v在叶根处为零并沿叶高线性增加,直至叶顶达到最大值,前倾角和前弯角可按下述方法计算它随半径的变化规律。

  当r=rh时v=0,而且根据式(3)可以得到a0+r1rh=0。同时若假设a2=0则:

  

  过大的前弯角将给动叶的结构设计、强度计算以及制造工艺带来困难,因此,前弯叶轮叶片的推荐角度范围可为8°~10°[3]

  弯掠角度应该选取小于最佳而又处于变化率最为明显的区段。按照这个原则,具有叶型重心连线为圆弧的前掠叶片的推荐角度范围为20°~25°[8]

  笔者采用的前弯前掠叶片对气体的加功量不应该沿半径等功分布,应该采用变环量计算方法,根据叶片损失和二次流对叶片的影响,以及对噪声的影响,对变环量指数a进行设计来改变△Cu ,设计出一个新的流型。考虑到对叶片加工方便的因素,采用直线加上圆弧作为翼型重心连线,假设直线与圆弧的分界点设为相对半径x处,对直线和圆弧分别采用不同的变环量指数。且x∈(0.4,0.45) [8]

 
  其中:x决定了式(13)和式(14)这个函数的分界点;a决定了叶根到重心连线是直线部分的变环量系数。
  

  △Cu中的未知数可在下列条件下求出:气流参数C2a(r)和C2u(r)应该满足连续方程、理论全压方程和简单径向方程。从而可以保证通风机设计条件下所需要的流量及全压。

  基元级的理论全压方程:

        ρth=pωrC2u           (20)          

  式中ρ、ω、r、C2u分别为空气密度、叶轮的回转角速度、基元级叶片半径及叶轮出口气流的旋绕速度。

  叶轮出口简单径向平衡方程为[2]

  
  
  

  在C2a满足下列连续方程[2]条件下求解α和a、b,为了保证低噪声,a、b根据声学特性求出。把以上求出的参数a,b,A,K代入式(18)和(19)中即可以求出C2u

  上述叶轮流型的求解可采用EXCEL电子表格的方法计算。即按行进行叶轮的气动计算,计算步骤按文献[9-10]进行,并按孤立翼法和叶栅法分别进行叶片成型,以便于对比选择。气动计算和叶片成型的各计算公式中风机结构参数、转速、叶轮流型变环量指数等均采用电子表格中相应位置处的对应参数;利用电子表格的功能,当在改变风机结构参数、转速、叶轮流型指数等时,风机气动计算结果即随之变化,从而快速完成风机气动计算。相当于在短时间内进行多种设计方案的对比,而且直观,可以有效地满足在风机高效率、低噪声条件下进行风机优化设计计算。设计计算表格列好后,可在满足上述风机气动约束条件下,调整风机结构参数、叶轮流型指数等,同时观察风机效率变化情况以及叶片翼型参数的合理性,以便能在保证风机内流动损失最小的情况下确定风机结构参数和叶轮流型。为了保证能得到低的噪声指标,可通过改变叶轮流型指数,找出最低的噪声。

2  JYFZ 型纺织轴流风机叶轮的设计

  江阴市宏达风机有限公司和东北大学联合研制开发了 JYFZ-1 № 16A 新型高效低噪纺织轴流通风机,该风机叶轮的气动设计采用了上述前弯前掠轴流通风机叶轮叶片优化设计方法。 该风机的设计参数:风量Q=85000m3/h ,全压p=560Pa , 风机噪声比A声级LSA≤30dB(A),风机全压效率η≥75%。

  风机为单级叶轮的级型式,叶轮直径为D=1.6m,配用电机功率P=22kW,电机同步转速n=1000r/min,考虑到风机叶轮叶栅稠度和动力负荷系数均超过1.0,因而叶轮采用机翼型叶片,并用叶栅法成型。

  JYFZ 型纺织轴流通风机的叶轮轮毂与叶片配合面为球形表面,叶片根部也铸造成球形,这就保证了叶轮轮毂与叶片根部的间隙,而且此间隙不随叶片安装角度的旋转变化而改变。叶片的叶柄被固定在轮毂上均匀分布的叶片槽内,和下面的叶片固定板一起,被内六角螺栓所紧固,从而保证了叶片在叶轮旋转时不松动。

  由于采用了前弯前掠低噪声叶型和气动优化设计技术设计叶片流型,可有效地减少叶片数量,由原来FZ40(35)-11/12系列纺织轴流通风机的10个叶片,减少到现在的JYFZ系列新型纺织轴流风机的3个叶片,而两种风机单个叶片质量相差无几,从而大大降低了风机质量,有效地降低了生产制造成本,提高了风机的安全可靠性。

3  试验结果与分析

  江苏省质量技术监督局风机产品检测中心对该风机进行了风机性能与噪声检测,通风机性能测试及噪声检测均是按照国家相关技术标准进行的。具体结果见表1。

表1 JYFZ-1 № 16A 轴流通风机性能实测与设计指标的对比

比较参数

设计

实测

偏差

流量Q/(m3/h)

85000

85000

全压p/Pa

560

586

+4.6%

全压效率η/%

≥75

81.5

+6.5

噪声比A声级LSA/[dB(A)]

≤30

24

- 6

轴功率/kW

22

17.0

足够功率裕量

  由表1数据看出,在设计流量点85000m3/h 处,风机实测全压与设计全压相对偏差为+4.6% ,按照国家相关技术标准[11],风机全压性能满足设计要求。实测风机全压轴效率与设计全压轴效率相差为+6.5%,风机效率指标超过设计效率指标。实测风机噪声比A声级LSA 为24dB(A),低于30dB(A) 的设计指标,更远低于国家标准规定的轴流通风机35dB(A) 的噪声比A声级规定[12]。该风机在设计点实测轴功率为17.0kW,对于选用的22kW电动机,已留有足够的功率裕量。

  笔者还将JYFZ-1 № 16A 新型纺织轴流风机与FZ-11 № 16A纺织轴流通风机, 在相同叶轮直径、相同径向间隙、相同电机转速和功率条件下 , 进行了气动性能试验结果的分析对比,其对比试验是在5个不同叶片安装角时分别进行的,限于篇幅,只给出叶片安装角为11°,电机功率为22kW时,两台风机的性能试验结果。

  (1)风机全压:当FZ-11 № 16A叶片安装角为11°时,风机产品样本规定的流量—全压性能见图3。图3中还给出了 FZ-11 № 16A风机在该角度时的实测流量—全压性能曲线和JYFZ-1 № 16A风机的实测流量—全压性能曲线。由图3看出, JYFZ-1 № 16A风机在FZ系列风机样本的3个相同流量点上,风机全压均高于FZ风机样本的全压值,也高于FZ-11 № 16A 风机在各个流量点处的实测全压值。

  (2)工作区域:由图3可知,FZ-11 № 16A风机的工作区域为Q=68000~120000m3/h ;而JYFZ-1 № 16A风机的工作区域为Q=50000~125000m3/h ,其工作区域较FZ-11 № 16A风机稍微宽广。

  (3)效率:由图4,FZ-11 № 16A风机的最高全压效率为77.6% ,工作区内平均全压效率为72.2%;JYFZ-1 № 16A 风机的最高全压效率为81.5%,与 FZ-11 № 16A 风机的最高全压效率相差+3.9%,而其工作区内平均全压效率为74.8%,两者相差+2.6%。

  (4)噪声:由图3,FZ-11 № 16A风机在最高效率点处的噪声比A声级为31.3dB(A),工作区内平均比A声级为29.6dB(A); JYFZ-1 № 16A 风机在最高效率点处的比A声级为24.2dB(A),比FZ-11 № 16A风机的比A声级低7.1dB (A),而其工作区内平均噪声比A声级为25.0dB(A),比FZ-11 № 16A风机低4.6dB(A)。

  (5)功率:由图4,FZ-11 № 16A风机的最高轴功率为20.5kW,而JYFZ-1 № 16A风机的最高轴功率为17kW,这是因为 JYFZ-1 № 16A风机的效率较高的缘故。两台风机在其工作区域内都能保证配套电机不过载。

  JYFZ 新型低噪声纺织轴流风机目前已形成产品系列化,并取得了国家专利(专利号为 ZL 200820214514.7)和国家制冷产品生产许可证,已在国内外纺织行业形成批量销售。

图3 风机流量-全压、噪声比A声级性能对比

图4 风机流量-全压效率、轴功率性能对比

4    结论

  (1)在为纺织企业空调系统配套 的轴流通风机中,首次采用3个叶片的前弯前掠叶轮叶片优化气动设计,风机质量轻、结构简单、运转安全可靠。

  (2)JYFZ 新型纺织轴流通风机叶轮轮毂与叶片配合面为球形表面,叶片根部也铸造成球形,这就保证了叶轮轮毂与叶片根部的径向间隙不随叶片安装角度的变化而改变。

  (3)JYFZ 新型纺织轴流风机气动性能完全达到设计要求。与目前国内纺织空调系统中主要配套的FZ40(35)-11/12 型纺织轴流风机相比,其特点是效率高、噪声低、工作区域更加宽广。

参 考 文 献 

[1] 商景泰,等.通风机手册[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2] 昌泽舟,等.轴流通风机的实用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

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[4] Cumming R A , Morgan W B . Highly skewed propellers [J] . Trans SNME,1972,80(1):98-135.

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[7] 吴学凤,黄家友.弯掠动叶在对旋通风机中的应用[J].风机技术,2006(2):22-23.

[8] 欧阳华,钟芳源.叶轮机械气动噪声及周向前弯动叶降噪技术的研究[J].风机技术,2002(5):11-15.

[9] 昌泽舟,等.应用电子表格进行轴流通风机优化气动设计[J].风机技术,2003(6):35-37.

[10] 昌泽舟,等.DT-1耐高温地铁轴流通风机的优化设计[J].流体机械,2003,31(12):18-20.

[11] JB/T 10562-2006一般用途轴流通风机技术条件[S]. 北京:中国标准出版社,2006.

[12] JB/T 8690—1998工业通风机噪声限值[S]. 北京:中国标准出版社,1999.  

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