爱华网阳诚武/中航工业航空动力机械研究所
摘要：为了研究短叶片对后向式离心通风机性能的影响，对某风机厂的JMF№4.3A型离心风机加短叶片的叶轮模型进行了数值研究。数值方法采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法。主要研究了长短叶片数、短叶片长度、短叶片周向位置以及短叶片的安装角度对后向式离心通风机性能的影响。为方便比较，计算结果做成了无因次曲线的形式。结果表明：对后向式离心通风机而言，短叶片长度影响风机的做功能力和效率；短叶片的周向位置则对压力和效率均有较大影响,特别是对效率的影响最大；而短叶片的安装角度则对风机的性能影响较小。
关键词：数值模拟；离心通风机；叶片；性能
中图分类号：TH432 文献标志码：B
Numerical Investigation of Backward Centrifugal Fan with Long-short Blade
Abstract: In order to investigate the effects of the short blades on backward centrifugal fan, numerical investigations were carried on JMF No.4.3A fan impeller models with short blades. RNGk-ε turbulence model and SIMPLEC algorithm were used to investigate the effects of the number of the blades, the length, the circumferential position and the installation angle of short blades on the performance of fan. In order to compare easily, the results were made into dimensionless curves. The results show that, for backward centrifugal fan, the length of short blades affects the ability to do work and efficiency, the circumferential position greatly affects both pressure and efficiency, more on efficiency and the installation angle affects the performance of fan little.
Key words: numerical simulation;centrifugal fan; blade; performance
0 引言
国内外都有采用加短叶片的离心通风机，特别是目前对高效率的追求，使得它的应用更为广泛。但国内主要是应用长短叶片离心风机，而对其进行系统而深入的研究还较少，尤其对于采用长短叶片的后向式离心通风机研究更为少见。采用长短叶片的目的是为了减小叶片进口处的堵塞；减小叶道扩张角以减少分离损失；减小滑移系数而提高做功能力。长短叶片叶轮中加短叶片的形式多种多样，但概括起来可以归结为四个方面的问题：1）长短叶片数对风机性能的影响；2）短叶片的长度对风机性能的影响；3）短叶片的周向位置对风机性能的影响；4）短叶片的安装角度对风机性能的影响[1]。本文采用数值模拟手段研究这四个方面的问题。
本文采用目前较为常用的Fluent商用软件包对长短叶片后向离心通风机短叶片的设计规律进行研究，以供工程设计参考。
Fluent软件包主要包括：前处理器Gambit、求解器Fluent、后处理器Fluent或Tecplot。Gambit具有前处理建模和划分网格的功能。Fluent求解是Fluent的核心部分，其数值方法是基于有限体积法[2]的。
1 模型的验证
模型采用江阴市精亚风机有限公司的JMF№4.3A型后向离心风机，其叶片长度为159mm，空气动力略图见图1。
图1 JMF№4.3A型离心风机空气动力略图
计算模型用三维制图软件建模，然后用Gambit的分块网格功能划分网格，单元总数约为80多万。Fluent使用分离求解器求解全三维的N-S方程；采用RNG k-ε湍流模型、标准壁面函数和SIMPLEC算法进行模拟计算。可动区域则使用MRF（Moving Reference Frame）模型，转速为2 900r/min。叶轮为相对于可动区域静止的可动壁面，其它壁面为无滑移边界。边界条件为速度进口，压力出口。计算收敛且稳定后提取计算结果[3]。
为方便比较，把提取的全压和效率用三阶多项式拟合，做成了无因次曲线的形式。图2中的横坐标为流量系数Φ，主纵坐标为风机内效率η，次纵坐标为全压系数Ψ。其表达式分别如下：
式中：zqv为风机流量，m3/s；D2为叶轮外径，ｍ；u2为叶轮外缘圆周速度，ｍ/s；ptF为风机全压，Pa；ρ为气体密度，kg/m3；Pin为风机内功率，kW。
为使结论具有普遍意义，定义短叶片相对长度ε=短叶片长度/原叶片长度。本文所研究的风机原型是短叶片相对长度ε＝3/4，长短叶片数各为6的叶轮模型，此模型已通过江苏省组织的科技鉴定与新产品新技术鉴定，并投入批量生产。
图2是计算结果与测试值的比较。由图2可以看出，计算得到的全压系数和效率曲线与测试值有所偏差（全压系数偏差约为2%，效率偏差约为3%），但总体趋势较为吻合。这说明本文所采用的计算模型和边界条件用于JMF№4.3A型后向离心风机的模拟计算是可行的。出现这种偏差的原因可能是：由于各种条件的限制，模拟计算所使用的风机叶轮内流动损失模型不能完全符合实际的流动过程，而只是与实际流动过程近似。
图2 与原型计算结果的比较
2 模拟计算研究
本文通过四个方面分别进行研究。FLUENT计算模型与验证实验所采用的模型一致，但短叶片结构参数有所不同。
2.1 叶片数目的影响
为研究不同叶片数目对风机性能的影响，本文采用了长短叶片数各为5、6和8的计算模型。其中叶片数为5时只做了ε=3/4的叶轮模型的模拟计算，而6叶片和8叶片则分别做了ε=3/4和ε=2/3的两种模型的模拟计算[4]。其计算结果见图3和图4。
图3 ε=3/4模型的风机特性曲线 图4 ε=2/3模型的风机特性曲线
由图3可以看出，叶片数为5时，其压力和效率明显降低。这是因为叶片数过少时，叶片的做功能力明显降低，流道过宽而导致分离损失加大，从而使得效率也大幅降低。叶片数为8时，其压力比6叶片数高很多，但其效率却较低。为此而研究了叶片相对长度ε=2/3，叶片数为6和8的计算模型，计算结果见图4。
图4表明，8叶片数的压力比6叶片数时高，而效率同样也是降低的。这是由于叶片数的增加，也增大了叶片的做功能力，但做功能力的增加，被其所带来的流动损失和摩擦损失所抵消，因而其效率反而有所降低。
2.2 短叶片长度的影响
参考文献[1]的工程经验，一号轮为带有不同长度的短叶片，长短叶片数为6或8，周向均布，见图5。计算结果特性曲线见图6和图7。
图5 一号轮
图6 6叶片数不同长度短叶片时风机特性曲线 图7 8叶片数不同长度短叶片时风机特性曲线
图6和图7都表明，随着短叶片长度的增加，叶轮的全压系数会增大，即做功能力增强，但增加幅度有所减小。图6中，随着短叶片长度的减小，最高效率点向小流量方向偏移，而总体效率只是在相对长度ε=2/3时仍然较高。而图7中，效率会随着短叶片长度的减小而降低，最高效率点也相对一致。
因此，随着短叶片长度的增加，压力会升高，即叶轮做功能力增大，但效率的变化趋势与叶片数有一定关系。鉴于上面的计算结果分析，此后以长短叶片数各为6的叶轮模型为研究对象。
2.3 短叶片周向位置的影响
二号轮为短叶片周向位置不同的叶轮，见图8（P表示压力面，S表示吸力面），图中只给出了3/10τ、4/10τ和1/2τ（τ为栅距）的情况，其余类推。图9和图10分别给出了计算全压和效率特性曲线。由图可以看出，当短叶片偏离中心面时（1/2τ面），其压力和效率都降低，只是效率降低的幅度较大。即使是对称于中心面的位置，靠近吸力面处的压力和效率都比靠近压力面的稍高。
图8 二号轮 图9 短叶片不同周向位置的风机特性曲线1
图10 短叶片不同周向位置的风机特性曲线2 图11 三号轮
2.4 短叶片安装角度的影响
三号轮为短叶片安装角不同的叶轮，短叶片距离压力面τ/2，其相对长度为1/2，相对安装角分别为-8°、0°和8°，见图11。图12给出了三号轮的全压系数和效率曲线。
由图可以看出，改变短叶片的相对安装角，对风机压力影响较大，无论是相对安装角为正还是为负，压力都低于相对安装角为0°时的压力，特别是相对安装角为正时，压力降低的幅度较大；相对安装角对效率的影响较小，但改变了最高效率点，使其向小流量方向移动。
图12 改变短叶片相对安装角时风机特性曲线 图13 方案比较选择
2.5 方案比较与选择
根据前面四个方面的研究，为提取最佳的方案，对各最优方案进行了比较，其特性曲线见图13。进行比较的叶轮模型分别为叶片数为8，短叶片相对长度为3/4的叶轮，以及叶片数为6，短叶片相对长度分别为3/4和2/3的叶轮，各叶片周向均布。
由图可以看出，当叶片数为8，短叶片相对长度为3/4时，其全压系数最大，即这种叶轮的做功能力最强，但效率较低。而当叶片数为6，短叶片相对长度为2/3时，其效率最高，且最高效率点有向小流量方向移动的趋势，压力比短叶相对长度为3/4的叶轮稍低。基于工程实际需要，可在这三种叶轮模型中进行选取。
3 结论
1） 后向离心通风机加入短叶后，叶片总数与原设计的最佳叶片数相同或稍多为宜，不可减少。
2） 加入的短叶片长度越长，其全压越高，但升高的幅度减少，效率变化则无明显趋势。
3） 在一定叶片数下，短叶片长度的减小，会使最高效率点向小流量方向移动。
4） 当短叶片偏离中心面时，其压力和效率都会降低，只是效率降低的幅度较大，即使是对称于中心面的位置，靠近吸力面处的压力和效率都比靠近压力面的稍高。
5） 改变短叶片的相对安装角，对压力影响较大，特别是相对安装角为正时，压力降低的幅度很大；相对安装角对效率的影响较小，但改变了最高效率点，使其向小流量方向移动。
参 考 文 献
[1] 桂利川，常鸿春，谷传纲，等. 长短叶片离心通风机的实验研究[J]. 流体工程，1987（10）：33-36.
[2] 昌泽舟，罗皓，郭丽娜，等. CFD软件在通风机设计中的应用[J]. 风机技术，2009（2）：60-64.
[3] 罗晟，蔡兆麟. 变叶片数和长短叶片结构对离心叶轮内三位粘性流场的影响[J]. 风机技术，2000（6）：3-6.
[4] 徐长棱，毛义军. 离心通风机整机三维流场的数值模拟[J]. 风机技术，2005（5）：1-4.
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