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离心风机气动设计方法的发展及其应用

李 嵩 朱之墀 / 清华大学流体力学研究所    

摘要:结合清华大学流体力学研究所有关研究工作介绍了离心风机气动设计方法的发展及其应用。
关键词:离心风机;气动设计;数值模拟;性能预估

中图分类号:TH432   文献标志码:A
Development and Application about the Aerodynamic Design Method for Centrifugal Fans
Abstract: In this paper an introduction to the development and application about the aerodynamic design method for centrifugal fans is presented with the related research work done by the Institute of Fluid Mechanics of Tsinghua University.
Key words: centrifugal fan; aerodynamic design; numerical simulation; performance prediction

  从1975年开始,我们一直致力于风机气动设计方法研究及高性能风机产品开发,本文结合我们工作实践讨论离心风机气动设计方法的发展及其应用。
1 离心风机气动设计的工程方法(1990年前)——不能预估工况性能
  国际公认的离心和轴流风机气动设计工程方法的权威著作是德国著名风机专家B.Eck的专著《风机》(1973年英文版)[1],关于离心风机气动设计的主要思想为基于一维、二维不可压理想均匀流假定及进口速度三角形无预旋假定,通过离心风机内部流动及其损失机理分析,结合70年代以前的气动设计经验和性能试验数据,提出了一套完整的离心风机气动设计工程方法,奠定了离心风机气动设计的基础。其核心内容是确定叶轮参数两个公式,一是连续方程,可确定叶轮进口直径d1,见公式 (1),另一个是叶轮机械做功的欧拉方程(又称全压公式,对于不可压流体,也就是动量方程的积分),可确定叶片的几何出口角β2j,见公式(2)。

  

式中,Q-,H-分别为流量系数和全压系数,εβ1jψμi分别为叶轮进口加速系数、几何进口角、进口充满系数、有限叶片修正系数和进口冲角,ηi为叶轮流动效率,d2b2β2j分别为叶轮出口直径、宽度和几何出口角。Eck还对两个重要的设计参数,即叶轮进口加速系数(定义为进风口出口和叶轮进口截面的面积比值)和几何进口角提出具体建议,前者应大于1,具体推荐取值为1.2,使进入叶轮的流动是较强的加速流,可减少分离,后者,建议采用i+35.4°,这是根据在同样流量下,进口速度最小,因而可使叶轮内的流动损失最小推导得到的优化值。Eck还提出叶片型线应使叶片通道内的流速具有相同的减速,这样在流道中就没有大的减速出现,可减少分离,这种型线称为等减速流型(dw/dt=wdw/ds=const),我们在学习Eck方法的基础上,引用了透平机械和航空工程中的一些设计思想,结合9-19风机开发,经过多次设计—样机—性能试验,突破了风机行业和Eck的一些设计思想和经验系数的取值,1977年研制成功的9-19№.6风机样机全压效率,η=86%,A声压级LPA=94.5dB,比A声压级 LPA=17.1dB,比当时市场流行的高压风机系列产品8-18№.6风机效率提高21%,A声压级下降5.5dB,比A声压级下降 6.5dB,且具有效率高、噪声低、性能曲线平坦及高效区宽广的优点,结构简单,工艺可行。在9-19风机开发的基础上,又开发了其姐妹系列9-26风机,由于其优良性能,很快被机械工业部指定为全国推广的优秀高压离心风机产品系列,替代当时流行的8-18和9-27系列风机,直到现在9-19和9-26风机还是风机市场高压风机主力产品。1980年提出了9-19风机的气动力设计方法[2] ,对Eck方法提出以下主要改进:1)采用叶轮进口加速系数小于1,具体建议为0.7~0.8,这样可以大大减少叶轮进口流速,不仅可以减少叶轮损失,也有利于减少噪声,因为噪声和流速的6次方成正比,理由是这种扩压流动,虽然会有一些分离流,但考虑到高速旋转叶轮产生的离心力,会将流入叶轮的少量分离流甩开;2)对前向风机采用很小的叶轮出口宽度和叶轮直径比值,约为0.09,以减少叶片的出口角(见公式(2)),并由连续方程可知,它能提高w2/w1值,因而减少叶片通道的扩压度,可减少分离,提高效率;3)提出等当量扩张角流型(w-1.5 dw/ds=const)代替Eck的等减速流型,认为这样更为合理,理由是前者将整个叶片通道设计为一个等当量扩张角的圆锥通道,这样的扩张才更为均匀,而且容易控制,只要这个锥角设计在一个合理值以内即可;4)离心风机噪声主要是叶片通过频率(BPF)的离散噪声和湍流和旋涡引起的宽带噪声,其中蜗舌间隙δ(蜗舌与叶轮间的最小距离和叶轮直径的比值)是影响BPF噪声的主要因素,δ越大,BPF噪声就小,总噪声也可减少,过去国内没有研究噪声,风机为了提高全压和效率都取较小的δ,一般为3%~5%。为了减少噪声,我们推荐采用10%。为了保证风机全压和效率,提出了一种大蜗壳的设计方法;5)首次在风机行业推荐使用无叶旋转扩压器,它可以减少蜗壳损失,提高全压和效率。20多年来按照这种方法及后来的一些改进,总结了主要几个优化设计参数,开发并完善了离心风机气动设计工程方法的软件。使用这个软件,之后的10多年已经开发出很多市场流行的高性能离心风机系列,其中突出的产品系列是1987年开发的6-41中压风机系列,直到现在仍然是风机市场的主流产品。
  离心风机内的实际流动是整机(包括叶轮、蜗壳和进风口)三维的有粘性的湍流流动。但工程设计方法的主要缺点有:1)一维或二维的不考虑粘性的流动假定;2)叶轮、蜗壳是单独设计的,进风口是按经验选配的,而且设计时没有考虑部件间的相互影响;3)相当程度上还是凭经验设计,一些重要的经验系数选取的优劣无法在设计阶段考核;4)在设计阶段无法预估风机的工况性能,风机性能只能由样机性能试验给出。这点是这种方法的根本缺点,总是需要多个设计—样机—性能试验的周期才能完成样机开发,一般需要3~5个周期,甚至更多,才能完成一个产品开发,所以开发周期长、成本高。
2 离心风机气动设计的现代方法(1991~2000)——只能预估设计工况性能
  随着计算机和计算流体力学(CFD)技术的发展,有可能采用CFD来数值计算离心风机内部的复杂流场,预估风机流量、全压和效率关系的风机性能。1991年叶轮机械CFD权威Lakshminarayana[3]首先对叶轮机械分析和设计中的CFD技术发表评述,标志着CFD方法开始用于叶轮机械的压缩机和汽轮机,但还未见用于风机,当时我们就意识到应该开始引用CFD计算风机流场,来预估风机性能。开展CFD工作首先要有软件,但当时没有商用CFD软件,国内流场计算都是自己开发程序,时间花了很多,并不怎么好,也不肯转让。我们从美国航空和宇航局(NASA)内部报告中发现了一个公开发表的“用非正交贴体坐标系计算不可压三维流场的程序”[4] ,不仅有比较详细的介绍,还附有全部源程序。我们立即组织教师和研究生,按照它的编程思想,逐句逐段的核对,也发现了不少错误,并进行一些简单流动计算的考核,花了近一年时间,基本搞通,然后针对气动设计性能良好的风机,逐步将它用到风机部件内的流动,从几何建模、计算域和边界条件确定、网格生成、收敛条件和松弛因子等数值计算要素确定,再建立风机数值计算结果分析的后处理,得出风机内部流场分析和性能预估,并和实测对比一整套的数值模拟方法,边计算边实践,边改进,不断积累风机数值计算经验。风机内部流场计算也是先易后难,先从不动的蜗壳流动再用到转动的叶轮内的流动;叶轮内流动计算,也先从二维的子午通道,再进行叶轮三维流动计算;再进行叶轮和蜗壳耦合流动分析(当时的计算软件还不具备蜗壳—叶轮—进风口连同进出管道的整机数值模拟),为建立离心风机气动设计的现代方法奠定基础。
  在此基础上,1996年我们申请国家自然科学基金项目“低比噪声离心风机科学设计方法研究”得到批准(批准号59575016,1996~1998,)并和北京西山风机厂合作开发优秀性能的7-35 产品系列(1997~2000),正式提出离心风机气动设计现代方法的基本思想,共分三步,见图1。

  首先以离心风机气动设计改进的工程方法为基础,利用我们自编的气动设计软件和设计经验,包括一些经验系数的选用,给出性能良好的风机气动力设计图,然后用CFD软件计算上述风机内部的三维湍流场,得到给定流量下的全压和效率。这是关键的一步,因为这样就能在设计阶段预估风机性能,这是过去工程设计方法没法得到的。如预估性能不满意,则改变原来的经验设计参数,重新进行风机工程设计,得到一个新的风机气动力图,再去进行三维流场计算,得到新的风机的预估性能,直到满意后,就进入最后一步,做样机进行测试来验证预估性能,如不满意,再重新进行工程设计新风机,再计算预估性能,再做样机测试,直到得到工程设计的风机预估性能和实测性能相近又满意的样机,才算设计完成,整个这样的设计过程,称为离心风机的现代设计方法。它的优点是能在设计阶段预估风机性能,其中大量工作是设计和计算,主要时间花在数值模拟的计算上,这可以大大减少样机制作和性能试验,也就大大节省高性能风机开发的时间和费用。
  采用这种现代设计方法结合开发高性能风机产品,培养了1名博士生和6名硕士生,博士题目为《离心风机现代设计方法及整机性能数值模拟》(2000)[5] ,也许是国内第一篇涉及风机数值模拟的博士论文,发表了一批学术论文如文献[6-12] ,其中突出代表是在1998年《中国机械工程》杂志上发表的《离心风机现代设计方法研究》[6],开发了一批高性能风机产品,突出代表是和北京西山风机厂合作研制的7-35离心风机,它是用来替代6-41的离心风机。6-41风机的气动性能本来就很好,自1987年研制成功以来,一直是国内市场上广泛流行的中压离心风机系列,作为替代的7-35风机,要求效率再提高2%~3%,噪声下降2~3dB,全压也要有所提高。7-35风机的气动性能测试在沈阳鼓风机研究所进行,声功率测试在中科院声学所进行。为了与6-41风机比较,严格保证所有测试条件一样,在同一地点、同一实验装置,对7-35 №5.6风机采用进出气联合试验,得到风机的流量、全压、效率、声压级和声功率,其性能与国内外产品比较如下:
  1) 7-35系列风机和国内风机比较
  7-35系列的样机有两种,即7-35 №.5.6和7-35 №7.1(只改叶轮)。它们的效率性能分别为η=85.6%和η=84%,噪声的比声压级分别为 Lps=6.4dB(进出气试验),Lps=12.7dB(进气试验),在完全相同的测试条件下(相同地点,相同设备,相同方法及相同仪器),7-35 №.5.6与6-41 №.5.4风机相比,效率提高2%,风机总压提高13%,比噪声下降3dB,90%最高效率对应的最大和最小风量比(反映风机变工况性能,该值愈大愈好)从6-41的1.8提高到2.6,说明7-35风机的性能又有较大提高,符合设计要求。1999年11月7-35系列风机获得我国实用新型专利,名称为“离心风机”,专利号为ZL98 2 41387.4。
  2) 7-35系列风机和国外风机比较
  国外风机近期性能指标很难得到,我们通过国外著名风机专家得到德国、日本、俄罗斯和美国90年代同类相近风机产品的性能,数据来自德国Paul Pollrich 公司1992年产品目录(比声功率级为管道法测试结果);日本National 公司1997年产品目录(比声压级由出口试验测得);俄罗斯Moven 公司1995年产品目录;美国Greenheck 公司1998年产品目录,它们与7-35系列风机性能比较见表1。

  由于国外产品性能资料很难查到,并且每个系列风机的流量系数、全压系数和叶轮直径不能完全相同,测试方法也不完全一样,所以只能作相对比较。另外同样风机比声压级进口试验比出口试验要高2dB左右,混响室和管道法测试声功率级相差则很小。从表1可以看出,7-35系列风机的性能明显优于国外同类风机。机械工业科技信息研究院(机械工业权威查询机构)对15个国内外数据库进行了查新,2001年1月的查新结论为:“7-35系列风机达到或超过国际同类风机水平”。
  2001年2月国家教委和国家自然科学基金委联合组织对我们申报的《高性能离心风机现代设计方法及其应用》成果进行会议鉴定认为:“提出的高性能离心风机现代设计方法新颖;在离心风机设计中引入了先进的整机性能的数值模拟,首次在设计阶段可预估整机性能;7-35系列风机综合性能达到国际先进水平”。
  值得指出:离心风机内部结构复杂,设计工况的流动较少旋涡和分离,流动效率也高,一般的软件和数值方法容易实现风机性能预估,非设计工况旋涡和分离流较多,流动效率低,数值模拟不容易实现风机性能;另外,由于CFD软件限制和计算技术的限制,这里提到的整机流场计算只能实现叶轮和蜗壳的耦合数值模拟,还不能实现真正意义上的整机计算,即叶轮-蜗壳-进风口-连接管道合在一起的三维流场计算。我们对此实现了设计工况风机性能可以预估的设计方法,命名为现代设计方法得到肯定,因而这一时期称为现代设计方法阶段,以后则属于现代设计方法的完善。

3 离心风机气动设计现代方法的完善(2001~2010)——能预估变工况性能
3.1 整机流场数值模拟

  由于CFD 软件的发展和市场化,我们采用了商用的Fluent计算软件、Ganbit建模和生成网格软件,大大增强了前处理、计算、后处理的功能和效率,结合开发产品长期实践,首先实现了真正的整机,即包括蜗壳、叶轮、进风口和前后连接管道的流场数值模拟(甚至还可包括了考虑叶轮和进风口之间的间隙(叶轮间隙)的整机计算,但由于工作量很大,一般气动设计做数值模拟时可不考虑叶轮间隙),预估设计工况性能的效率误差小于3%,全压误差小于5%。这是现代设计方法完善的首要标志。其代表性的工作是结合某公司6-44风机开发进行的考虑叶轮间隙的整机流场数值模拟工作。2005年发表在美国暖通、空调和冰箱学会的研究杂志《HVAC&R Rearch》的论文《离心风机整机流场数值模拟以及进口叶片角和叶轮间隙影响的分析》[13]。风机设计参数:流量系数0.15,全压系数为0.65,叶轮直径为0.8m,转速为960r/min,空气温度为20℃。

  图2是不考虑叶轮间隙的整机网格,图3是考虑叶轮间隙时叶轮和进风口的连接部分的网格,表2是叶轮间隙为2.5mm的样机设计工况性能的数值预估和测试值的比较,实测值全压偏高10Pa,约0.8%,效率偏高1.5%,两者符合很好,说明预估方法很好。实测的性能曲线见图4,设计工况的流量为11 000m3/h,效率为85.3%,最高效率点为85.4%,流量为11 400m3/h,二者很接近,说明符合设计要求,而它的效率比一般高效风机高2%~3%, 说明样机性能很好。

  文献[13]还用数值试验讨论了不考虑叶轮间隙时的叶片进口角β1j从24°~36°(选择进口冲角为零)进行优化,发现它对风机性能的影响很大,β1j为27°时有最好的性能,如和Eck建议的35.4°相比,前者全压和效率均要高4.5%,该文献样机采用的角度就是27°,如没有进行整机性能预估,这样的角度是不敢采用的。
  同样,还讨论了不同的叶轮间隙值(δ=0,δ=2mm,δ=2.5mm)对风机性能的影响,对于0.8m的叶轮,厂方认为制作样机叶轮间隙为2mm或2.5mm 都是可以实现的。虽凭经验知道叶轮间隙对风机性能影响很大,但一直没有定量结论。因为考虑间隙的整机网格生成和计算相当有难度,通常CFD工作都是不考虑间隙的,文献[13]首次实现了考虑叶轮间隙的数值模拟,结果见表3。看到2mm的间隙,比零间隙全压下降3%,效率下降1.2%,间隙的存在,产生了一个通过间隙的二次流,它改善叶轮进口和蜗壳中的流动,使进风口、叶轮和蜗壳损失分别下降0.25%、0.15%和0.17%,但这个二次流造成1.75%的间隙附加损失,使叶轮全压下降3.5%。另外,2.5mm间隙比2mm间隙只差0.5mm,全压几乎没有下降,但效率又下降0.6%。所以,此后我们要求厂方对No.8风机,尽量采用叶轮间隙为2mm。
3.2 变工况性能预估
  实现变工况性能数值预估应该是标志现代设计方法完善的另一个重要标志。1990年代提出现代设计方法只能预估设计工况性能,因为设计工况效率高,流动很好,旋涡和分离流动很少,这种流场比较容易计算,采用一般的CFD程序、一般的网格生成和最常用的标准k-ε湍流模式就可以实现,但是非设计工况流动不会很好,旋涡和分离流动较多,对数值计算要求高,需要寻找一种能较好的捕捉旋涡和分离流,计算工作量可以承受,又比较公认的湍流模式,Wang和Cheng[14]在数值模拟槽道流动时中指出,采用RNG k-ε湍流模式可以较好地捕捉旋涡和分离流动,增加的计算工作量不多。于是我们改用RNG k-ε湍流模式代替原有的标准k-ε湍流模式,结合产品开发,预估变工况性能和实测性能的比较,通过多人、多次在多个开发产品上实践,终于成功,计算工作量大约增加50%。变工况性能预估误差,在90%高效流量区内,效率误差小于5%,全压误差小于8%[15]
3.3 进一步完善气动设计工程方法的软件
  现代气动设计方法中原有的工程设计方法是基础,采用自编软件,结合长期的的产品开发实践,已有不少修改和完善。但随着现代设计方法完善的需求,现有的工程设计软件在便于优化设计、便于和CFD软件接轨、便于输出样机气动设计图方面又需进一步完善。后两项是我们的软件自身开发完善工作,这里只说关于优化设计的问题。离心风机设计参数很多,优化工作一定要重点明确,不能有太多优化参数(否则计算工作量太大),它应是工程设计软件方便使用,又必须是经实践考核过,确实是重要的设计参数。我们认为:影响叶轮性能需要优化的有三个参数,1) 进口加速系数,Eck建议1.2,我们以前认为应在0.7~0.8, 实际上已可小至0.6,甚至更低;2) 叶片进口角,Eck推荐优化流动角是35.4°,再加3°攻角,进口几何角应为38°,但实际上很多情况是小一点好,现在我们已可小到27°;3) 叶轮进出口宽度比,它和叶轮全压系数有关,不能简单给个范围;蜗壳的优化参数主要是螺旋角和叶轮出口和蜗壳宽度比,前者不能超过7°~7.5°,后者不能小于0.35左右。至于进风口设计的优化参数,过去气动设计进风口是不管的,实际上进风口出口型线也很重要,因为它影响进风口出口,也就是叶轮进口流动,如果有较大的分离流,进入叶轮的流动肯定不好,显然影响风机效率和噪声,所以在工程设计中也要注意,这里有两个优化参数,进风口出口段圆弧半径和出口锥角,前者影响到流动的离心力,后者影响流动扩压强度,需要满足以前我们给出过的两个进风口设计准则。
  有了上述三方面的工作,离心风机现代设计方法更加完善,不仅可以在设计阶段预估风机的变工况性能,还可以用不同的优化参数来改善这种性能,在此基础上,又提出了变型设计新方法和给定限制条件下的性能优化设计等(如只改叶轮或不改蜗壳或保持前盘圆弧和进风口圆弧不变或只改叶片或采用厂方要求的部件或部件的某些型线等)。这一时期,我们发表了除文献[13]外的有关文献有[15-21]。开发的高性能离心风机具有代表性的有:
  1) 和沈阳鼓风机研究所合作开发了6-35,5-55,6-24,7-28和4-73(板型叶片)五个系列。
  2) 6-44,7-22,7-27a,7-27b,7-45,7-18和5-49 七个系列。
  3) 为美国 GE 公司开发家用空调风机替代产品及能源部中央空调示范系统开发高效离心风机,气动设计都有严格限制条件,前者效率提高28%,噪声降低5dB(A),后者静压效率为69%,在美国斯坦福大学风机实验室与其它风机公司的产品对比实验结果表明,我们研制的风机性能是最好的。
4 离心风机气动设计的现代方法的发展(2010~2011)——针对新问题,产生新思想
  随着离心风机气动现代设计方法的日益完善,在不断用于开发高性能风机的过程中,特别在与一线生产和管理的技术人员交流中,不断出现新问题,在解决过程中,就会有很多新思想、新认识和新方法,不断推动着现代设计方法发展。
4.1 选择流量气动设计方法
  离心风机气动设计通常都按用户提出的设计流量进行设计,并认为这是最佳工况,其效率最高,但变工况性能预估与实测数据发现,很多风机最佳工况点偏离气动设计的设计流量,其偏离方向和大小与比转速有关,比转速小于或等于27的风机(这里称它们为小比转速风机)的最佳工况流量大于原设计工况[19,21] ,例如7-09的预估和试验的最大效率点流量比设计流量大40%;7-18a分别大31%和30%;7-22分别大9.5%和7.1%;7-27分别大4.2%和5.6%;而且比转速越小,这种偏离越大[22] ;中比转速风机的最佳工况与原设计工况基本接近[22] ;比转速大于55的风机(这里称为大比转速风机)最佳工况流量小于原设计工况,例如5-55的预估和试验的最大效率点的流量分别小12%和10%; 4-73的预估和试验的分别小7%和10%;其预估和实测的最大效率点流量均小于设计流量;而且总的趋势也是比转速越大,偏离越大[22] 。针对这种情况,我们提出选择流量的气动设计方法,其核心思想是工程设计时,合适的选择不同用户提出的设计流量和全压进行气动设计,再利用数值预估风机性能技术,优化用户设计工况性能为主,兼顾变工况性能,尽量在使用户设计工况性能接近或达到最佳的同时,又兼顾良好的变工况性能。
  采用选择流量设计需要注意:1)优化性能的目标仍然是用户设计流量的性能,同时适当兼顾变工况性能;2)选择设计流量和用户设计流量的比值,是不断优化选择流量进行气动设计,性能预估中自然得到的结果;3)选择设计流量设计得到的进风口和蜗壳,基本上是不适合用户设计流量时需要的进风口和蜗壳,应在优化进风口和蜗壳有关结构参数时改善。
  近来我们已对多个小比转速和大比转速风机采用选择流量设计方法进行设计获得成功,详细情况可参看文献[21-23] 。
4.2 对后向离心风机锥前盘的新认识
  离心叶轮气动设计时,叶轮前盘形状选择是很重要的。由于叶轮进口气流是由轴向转为径向流动,又不断扩压,如设计不当,很易导致叶轮内流动分离。1970年代以来一直认为弧前盘比锥前盘好,因为前者有一段较长圆弧可使进口及其以后的流动缓慢、光滑过渡[1-2] ,而且国内外很多高性能离心风机都是这样采用的。随着叶轮越做越大,弧前盘加工困难和成本也比锥前盘越来越大,前者还常常需要使用昂贵的旋压机,实际上有些特大叶轮根本无法加工这个大圆弧,只能用锥前盘。近来看到有些锥前盘后向离心风机同样能有85%以上的整机全压效率,不得不让人信服,需要改变看法。好在现在有了整机湍流流动数值模拟和性能优化和预估的计算技术,有条件来重新认识锥前盘的流动性能。为此,我们对三个高性能的弧前盘5-55、5-49和7-22№.8风机,将弧前盘改成相仿的锥前盘,其它叶轮尺寸不变(由于前盘型线变化,叶片型线也需按等当量扩张角重新设计),分别进行弧前盘和相仿的锥前盘风机整机性能数值预估对比,结果表明二者几乎都有相仿的高性能,设计工况点附近效率达86%~87%,全压均大于设计压力,二者性能曲线也很接近,全压和效率相差在1%附近,5-55风机锥前盘性能稍好些,5-49风机则弧前盘稍好些,7-22风机是小流量锥前盘稍好些,大流量弧前盘稍好些。鉴此,我们认为:由于锥前盘加工方便,成本低,设计时应优先考虑,不能再简单地认为其性能一定不如弧前盘,这就是我们对后向离心风机采用锥前盘的新认识,详情可见《对后向离心风机锥前盘的新认识》[24] ,按此认识,已为多个公司设计锥前盘甚至是直前盘(前、后盘平行)风机样机。
4.3 对后向离心风机圆弧叶片的新认识
  圆弧叶片加工简单,成本低,以前应用广泛。1973年Eck提出等减速叶片流型[1]和1980年朱之墀等提出等当量扩张角叶片流型[2]后,普遍认为这两种叶片性能比圆弧叶片性能好,于是后者在后向离心风机中就变得很少使用。近来发现有些后向离心风机使用圆弧叶片有85%以上的整机全压效率,为此,我们对几个不同型号的高性能后向离心风机,采用圆弧叶片和现在常用的等当量扩张角流型叶片进行整机变工况性能数值预估对比,重新审视圆弧叶片的性能,看对它能否有些新的认识。
  对于4个弧前盘高性能5-44,7-22,6-44及7-35№.8风机,其中5-44风机是圆弧叶片,其余为等当量扩张角叶片,对每一个风机只将叶片改为相仿的等当量扩张角叶片(5-44)或相仿的圆弧叶片(7-22,6-44,7-35)。所谓相仿,就是保持叶轮其它参数完全相同,包括叶轮进、出口直径和进、出口叶片角四个参数和弧前盘型线相同,叶片宽度也相同,只是叶片型线不同,原来是圆弧型线,改为等当量扩张角型线,反之亦然。然后分别进行两种不同叶片风机的数值预估变工况性能,并与原有的性能数据对比,考察二者型线变化对风机性能的影响。
  结果表明:对于上凸圆弧叶片,其整机性能和等当量扩张角叶片风机性能相仿,对于下凹圆弧叶片,风机性能明显低于等当量扩张角叶片风机,一个全压和效率低6%,另一个低1.5%。可以得出初步结论:对于上凸圆弧叶片可以代替等当量扩张角叶片,下凹圆弧叶片需要慎用[25]
  应该指出:本文用圆弧叶片代替等当量扩张角叶片,或者相反代替时,原风机都是优化好的最佳风机设计参数,对于替代风机来讲,这些风机设计参数是较好的参数,但不一定是最佳的,所以这样比较还有点不公。
  鉴此,我们认为:对圆弧叶片不能再简单地认为其性能一定不好。由于它加工方便,成本低,设计时应尽量优先采用,特别是上凸圆弧叶片推荐使用,但下凹圆弧叶片需要慎用,如对圆弧叶片风机参数优化后性能仍然不行,则可采用其它好的叶片型线,如等当量扩张角叶片型线等,这就是我们对后向离心风机圆弧叶片的新认识。
  最近,我们对一个平直盘叶轮的上凸圆弧叶片改成等当量扩张角型线后,全压增加4.5%,叶轮效率提高1%,所以上述结论只限于弧前盘叶轮。
  本节详情见《对后向离心风机圆弧叶片的新认识》 [25]
5 结束语
  本文主要是梳理了清华大学流体力学研究所36年来结合高性能风机的开发对离心风机气动设计方法的学习和研究得到的一些心得体会,希望能引来抛砖引玉的效果,进一步促进和繁荣我国的风机行业。

                 参 考 文 献

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-16 18:04:40
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-30 15:21:33
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-5-11 4:30:54
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  评论人:西门塔尔牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-22 13:49:38
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-22 6:02:56
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