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高效、低噪风机的现代设计方法和风机噪声预估

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高效、低噪风机的现代设计方法
和风机噪声预估
 
清华大学工程力学系流体声学实验室    朱之墀、黄东涛、李 嵩
 

工作简介
 
  随着现代生活对节能、环保要求日益提高,对开发高效、低噪风机的呼声也愈益强烈,同时又提出要求在风机设计阶段就能预估噪声,因为这对低噪风机设计和风机噪声控制都有重要意义。直到90年代初期,工程上一直采用传统设计方法,即用一维或二维理想流处理加上一些设计参数的经验选择,而不考虑风机各个部件之间相互影响(包括间隙影响)的设计方法。其中对离心风机只分别设计叶轮、蜗壳;对轴流风机只分别设计动叶、静叶。虽然用这种方法也有不少产品具有接近当时国际水平的综合(即兼顾效率、噪声、工艺、尺寸、寿命、高效工作区)性能,至今仍占领着我国的风机市场,但这些产品的开发不仅耗去大量钱财和时间,而且如仍用这种传统的设计方法,进一步提高性能的潜力已很小,必须充分利用现代科技手段,全面考虑风机内部三维、粘性流动,考虑部件耦合影响的整机优化设计,发展一种新的现代设计方法。
 
  1998年我们在中国机械工程杂志第8期发表题目为“离心风机现代设计方法研究”的论文,提出了这种设计方法的雏形,当时的研究工作得到一项国家自然科学基金的支持(项目名称为“低比噪声离心风机科学设计方法研究”),并和北京西山风机厂共同开发7-35风机以代替原有性能优良的6-41风机,当时的工作基础是我们有20多年风机工程设计经验,又化了三年时间发展了美国NASA-CR-178818提供的软件,使它可用于离心风机内部三维粘性流场的计算,得到的风机气动性能预估和实验结果基本符合,并用这种方法已研制出一种7-35样机产品,性能比6-41大有改善。
 
  近年来我们又成功地将国际上流体力学数值计算最通用的商用软件FLUENT用于离心风机和轴流风机气动性能预估,它在几何(数值)建模、网格生产等前处理、计算稳定性和准确性以及数据的后处理等方面都比我们开发的原有程序好很多,而且我们已经用FLUENT 6.1发展到可以整机计算,即对离心风机是进风口-叶轮-蜗壳一起算,并考虑进风口和叶轮的间隙;对轴流风机是进口管道-动叶-静叶-风室一起算,并考虑动叶和管道的间隙,因而和实测结果符合更好,同时还对影响风机性能的主要设计参数进行优化设计,分析它们的影响,形成了比较完整的现代设计方法,用此方法不仅发展了7-35三种替代6-41的优秀样机,还为美国GE公司开发了二种用于空调的离心风机,性能优秀,获得好评,还为美国某风机公司预估三种轴流风机气动性能,为德国和日本公司预测离心风机气动性能,还为国内西山风机厂开发带静叶的消排轴流风机,为鞍山风机二厂开发了多种大型流化床锅炉风机等,整机性能预估均和实验结果符合很好。在设计工况的全压或静压误差小于3-5%,效率误差小于2-3%。这种优化的现代设计方法即将在美国暖通和空调工程师协会主办的研究杂志-The ASHRAE (America Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)  Research Journal发表,题目是“Numerical Simulation of Flow Field for a Whole Centrifugal Fan and Analysis of the Effects of Blade Inlet Angle and Impeller Gap”。本文将以离心风机为例,略为详细地介绍这种现代设计方法及其应用的部分主要成果。
 
  本文另一内容是风机噪声预估,这是当今最热门也是难度极大的课题,虽然现在对风机的主要噪声源已有共识,也就是风机叶轮和静止部件相互作用产生的离散噪声(又称叶片通过频率噪声,对离心风机来说就是风舌噪声)和由于来流湍流、物面边界层中的湍流及物面分离脱体流动和间隙二次流产生的宽带噪声(又称旋涡或湍流噪声)。从气动力噪声理论来看,主要是作用在风机各部件上的不定常力造成的偶极子声源,其它的叶片厚度造成的单极子噪声源和旋涡区中的四极子噪声源均可不考虑。但即便如此,由于受到当前计算机和计算技术的发展限制,这种湍流流动中的不定常力的计算还十分困难,而声场计算不仅同样是不定常计算,而且还缺乏商用软件和计算经验,所以困难更大,目前采用这种严格的计算声学方法极少,预测结果也不理想。我们在1999年成功地计算了三个不同风舌间隙为1%、3%和5%的6-41离心风机风舌噪声,预估声功率和实测相差分别为3.3、0.5和1.3dB(见李嵩,1999 清华大学博士论文),已算很成功的工作,直到现在还没有看到类似工作。目前风机工程上都采用工程模型,常见的是叶片尾流模型用于预测风机总声压级和叶片力模型用于预测噪声频谱,但只限用于轴流风机,未见关于离心风机的预测模型。我们利用风机三维流场计算和分析,在2001年《流体机械》第5期发表了改进的尾流模型,题目是“低压轴流风机的噪声预估”,对二台轴流风机的预测风机A声压级和线性声压级与实测误差分别小于2dB和3~4dB。后来,在2004年《流体机械》杂志第1期又发表了改进的叶片力模型,题目是“低压轴流风机的噪声频谱预估与实测”,预测二台轴流风机噪声的1/3倍频谱的趋势和实测符合良好,绝大部分频谱的误差小于3dB,最大误差小于5dB(只是个别频谱),噪声频谱预测有这样结果,已属很不容易。2004年我们和日本一公司签定了一项合作项目,要求我们预测一台离心风机的噪声,作为首期工作我们进行了单个叶轮的噪声预估,将尾流模型首次推广到离心叶轮,得到成功,预测的总声压级和实测误差小于3dB。现在有一德国公司提供给我们一个SYSNOISE 5.6声学计算商用软件,要求我们为他们的一个烘干机用的离心风机进行噪声预估,美国一公司也要求我们合作进行轴流风机噪声预估工作,均已开始工作,我们准备都用声学数值模拟方法,已安排一名博士和二名硕士生做这一工作,尽管难度大,但这是国际前沿工作,又特别有用,现在大家都在起步,相比之下,我们具备更好的工作基础和工作条件,应该积极去做。
 
高性能风机现代设计方法
 
  风机结构简单,但流道结构复杂,且是扩压流动,很易引起严重的分离流,同时又有动、静部件,不仅是不定常流,而且动、静部件间的间隙又产生二次流,所以风机内部流动是复杂的不定常三维流动,数值模拟十分困难。限于目前计算条件,工程上对风机流场的数值模拟均按准定常计算,且多采用相对简单、但很流行的湍流模型计算,但模型只适合于小分离流,也不能正确定量流动细节,但根据文献调研和我们的经验,对于气动力设计良好的风机,在设计工况附近,用湍流模型和准定常处理,对于风机的气动性能的数值预估是完全可以做到和实测结果吻合很好。另一方面,由于有了很多的关于风机三维粘性流动数值模拟结果,发现过去按一维、二维理想流的工程设计中的一些重要的经验数据(也可称为设计准则),其中许多需要修改。以离心风机而论,例如按Eck理论,最佳气流进口角为35.4°,设计时还应考虑有攻角,所以一般设计叶片几何进口角为37°~38°,实际上,按数值优化结果,可以小到27°;又如按工程方法,如全压不够,可增大叶片几何出口角来补救,但数值优化结果是叶片几何出口角到一定数值(如81°)后再增大,全压反而会下降;又如Eck认为进口加速系数应大于1,这样叶轮进口是加速流动,可减少进口分离,后来我们认为减少叶轮进口流动速度能改善叶轮流动,所以按经验,建议可取0.7~0.8,实际上按数值优化可小到0.6;其它还有一些准则也应该改变,这里不能一一而论。这些参数的变化,对风机的气动力图改变很大,对气动性能影响也很大,所以原有的工程方法需要改进。当然改进内容还应包括叶片流道的流型选取和提出新的结构等。如我们利用航空上吹气边界层控制原理,提出长短叶片开缝结构,缝隙大于10mm,可确保缝隙不会堵塞,这种结构可扩展风机工作的高效区,大大改善非设计工况性能。所有这些在现代设计方法中称为改进的工程设计方法。所以现代设计方法内容是:首先根据改进的工程设计方法给出综合性能较好的风机通道型线;然后数值模拟风机整机(包括进风口-叶轮-蜗壳,且考虑间隙)三维粘性流动,来分析比较其内部流场,为改进设计提供依据,同时进行优化计算,好中选优,优化目标是在满足风量和风压的前提下,效率越高越好;最后通过样机研制和现场性能试验来检验和修正设计方法并得到高性能产品。这里改进的工程设计方法是数值优化计算和高性能产品设计的基础,数值模拟是关键,其难点是如何使它对风机气动性能预估能和实测结果吻合。现场性能试验用来修正设计和改进数值模拟方法。经过这样多次循环,最后获得高性能的风机产品。由于数值模拟是现代设计方法的关键和难点,下面再专题叙述。应该指出,这种方法目前只能优化设计和预估风机气动性能,不能预估噪声,这是由于离心风机还无法预估噪声,而本方法中的改进工程设计已考虑到低噪声风机设计要求,这样,一般而言,高效率就意味着低噪声。
 
数值模拟和软件
 
  数值模拟离不开软件,商用软件方便、可靠,通用性强,信任度高,现在计算流体力学的公认、通用的商用软件有FLUENT,STAR CD和PHEONIX等,目前最流行的是FLUENT,其最新版为FLUENT6.1,其前、后处理很好,且和其它软件连接也方便。但有了软件和会数值计算的人,不等于就可顺利进行风机性能预估数值模拟,更不是一劳永逸,因为有以下困难:
 
  1、对整机流场数值模拟的前处理-几何建模和网格生成不太容易,建模要考虑模拟实际的实验装置和边界条件处理,所以整机前、后还需附加管道或风室,建模不当则全功尽弃。网格生成则受目前计算条件限制,网格点一般小于100万个,这么多网格点对于整机模拟只能用局部加密网格,在物面附近和叶片前后及间隙中加密,如何加密和生成网格需要有风机计算的经验和技巧,否则会严重影响计算的准确性和稳定性;
 
  2、正如前述,成功的风机流场数值模拟的前提是需要有一个好的气动力设计,确保风机所有流道中只发生小的分离。在优化计算时,还需要不断地分析流场、改变设计参数和改进工程设计,所以要求计算人员不仅熟悉复杂流动计算,还要有丰富的工程设计经验,这样的条件并不容易满足;

  3、数值模拟结果和实验数据吻合也是不容易的,因为数值模拟结果对建模、网格、边界条件处理、湍流模式选取和数据处理等均很敏感。根据我们的经验,即使有了合适的商用或专用软件,按目前的计算条件在风机设计工况附近,数值预报风机的总体性能参数,如风量、全压、静压和效率可以和性能试验结果吻合很好,但需要有多次工程设计、数值模拟和样机试验的循环才能做到,这需要时间和钱财。
 
风机现代设计方法的部分主要成果

1、
与北京西山风机厂合作研制的7-35风机
 
  7-35风机是准备用来替代6-41离心风机,大家知道6-41的气动性能很好,自1987年研制成功以来,直到现在仍是当前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,要求效率再提高2~3%,比噪声下降2~3dB,全压要提高。7-35风机的气动性能测试在沈鼓所进行,声功率测试在中科院声学所进行。
 
1.1  7-35 No.5.6风机

  为了与6-41风机比较,严格保证所有测试条件一样,对7-35 No.5.6风机采用在同一地点、同一实验装置,同一型号(No.5.6),同一试验方式(进出气联合试验),得到风机的流量、全压、效率和声压级。结果如下:

 
1.2  7-35 No.7.1风机

  此风机的进风口和蜗壳均和6-41风机相同,这样7-35风机的对外安装尺寸和6-41风机完全相同,替换十分方便,只需替换叶轮,这有很好的市场前景,但它的性能会比7-35 No.5.6略差些,因为后者的进风口和蜗壳是优选的。这里采用进气实验测试。

1.3 7-35样机性能预估与实测值比较

  应用上述方法对7-35系列二个样机分别进行了整机性能预估,表1是样机的预估结果与实测值在设计工况性能比较。
表1 预估结果与实测值比较(除效率、误差外,单位为Pa)
风机型号
7-35
No7.1
7-35
No5.6
风机全压预估值
风机效率预估值
4704
84.65%
1356
85.11%
风机全压实测值
风机效率实测值
4800
84.0%
1359
85.58%
预估风机全压误差
预估风机效率误差
-2.0%
0.65%
-0.2%
-0.47%
 
数值预估整机性能与实测相比,全压误差约2%,效率误差小于1%,二者吻合很好。

1.4 7-35样机性能与国内外产品比较

A. 7-35 系列风机与国内风机比较



B. 7-35 系列风机性能与国外风机比较

  近期国外风机性能指标很难得到,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 GmbH & Com.1992年产品目录(比声功率级为管道法测试结果);日本National Com.1997年产品目录,(比声压级由出口实验测得);俄罗斯Moven Com.1995年产品目录;美国Greenheck Com.1998年产品目录,它们与7-35系列风机性能比较如表2所示。


  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不同,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实验比出口实验要高2dB左右,混响室和管道法测试声功率级相差则很小。根据表2中的结果可以看到,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”。2002年2月,国家教育部和国家自然科学基金委联合组织的专家鉴定结论是7-35系列风机综合性能达到国际先进水平。

2.为美国 GE 公司开发二台离心风机

A. 家用空调风机开发研究(2000年)

  这是我们与美国通用电气公司研究发展中心(CRD GE)科研合作一个项目,开发目的是用于替代目前使用的一种风机,在外形尺寸不变前提下,合同指标要求在完全相同条件下进行新老风机对比试验,效率应提高15-30%,噪声下降2-4dB。研究结果是开发的新风机比原来的风机效率提高28%,噪声下降5dB,CRD GE表示非常满意,认为我们的工作完成非常出色。

B. 高效离心鼓风机开发研究(2001-2002)

  这是我们和CRD GE合作的另一个项目,其背景是美国能源部为了节省能源,要建立一套高效中央空调示范系统,要求我方提供高效离心鼓风机的气动力设计及原始样机,CRD GE再按我方设计,制作最后样机。由于要适用现有多种中央空调箱尺寸,开发的新风机的外形尺寸受到严格限制,它的空间尺寸和双吸、大流量、小压头要求很不相称,期望高效率是很困难的,但我们利用上述现代设计方法,使它的静压效率达到55%,CRD GE很满意,称赞为优秀的工作,后来样机又在美国一大学作现场对比试验,受到一致好评。

3. 与鞍山风机二厂合作研制大型流化床锅炉风机

  流化床锅炉风机特点是压力系数高,比转数小,达到高效率有些困难,实际研制的风机叶轮直径超过2m,鞍山二厂要求我们提供的样机是0.8 m,2003年用现代设计方法进行优化设计,数值预估风机在设计工况流量为11000m3/h时的全压为1235Pa,全压效率为83.5%,联合实验的测试结果是全压为1245Pa,全压效率为85.6%,预测全压和效率误差分别为-0.8%和-1.8%。实测的性能曲线如图4所示。值得指出,对此样机预测非设计工况结果是:在90%~120%的设计流量范围的误差小于5%;在120%~160%的设计流量范围的误差小于5~10%;在小流量时误差很大。



 
 
 
 
 
 

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