離心通風機變寬度設計的研究

張義云 田俊俊 姜高眾 張亦可

（西安交通大學能源與動力工程學院）

離心通風機變寬度設計的研究

張義云 田俊俊 姜高眾 張亦可

（西安交通大學能源與動力工程學院）

本文通過數(shù)值模擬對4-72№4.5A型直葉片離心通風機進行了變?nèi)~輪出口寬度的設計研究，研究發(fā)現(xiàn)離心通風機最高效率點的流量和壓力隨著葉輪出口寬度的減小而減小，且流量變化基本呈線性變化。其中效率的變化并沒有隨著寬度的減小而立即降低，寬度變化率小于20%時依然可以保持較高的效率，大于傳統(tǒng)變寬度研究推薦15%的變化范圍，并對此結論進行了試驗驗證。

離心通風機；變型設計；葉輪出口寬度；數(shù)值模擬

0 引言

目前離心通風機的變型設計中，變?nèi)~輪出口寬度主要改變風機的流量，而對風機壓力的改變較小，這也是最經(jīng)濟可行的方法。

就目前的研究和應用來看，為了減小葉輪出口寬度，一般采用變寬度設計，其葉輪出口寬度變化量一般不大于15%。而如果采用15%作為葉輪出口寬度變化上限，則由于變化量較小，要通過變寬度設計來覆蓋全部流量系數(shù)范圍，所需要的基本機型會較多，不能夠達到簡化設計的目的。因此對離心通風機的變寬度設計進行了更深入的研究，嘗試總結出當改變?nèi)~輪寬度時離心通風機的流量、壓力和效率等的變化規(guī)律，找出更大的葉輪出口可改變寬度的范圍，以期實現(xiàn)用較少的風機模型通過變寬度設計覆蓋整個流量系數(shù)范圍。

1 原型機及變寬度設計方法

1.1 原型機

以4-72№4.5A型直葉片離心通風機為原型機作為研究對象，相比4-72№4.5A型通風機，除了將機翼型葉片改為直葉片外，其余部分未做任何改變，空氣動力學略圖可參見風機手冊[2]，該風機葉輪模型如圖1所示。

圖1 4-72№4.5A離心通風機葉輪Fig.1 The 4-72№4.5A centrifugal fan lmpeller

該風機葉輪的主要參數(shù)如下表：

表1 4-72№4.5A型風機葉輪主要尺寸Tab.1 The Parameters of 4-72№4.5A centrifugal fan

2.2 變型設計方法

與傳統(tǒng)的變?nèi)~輪寬度設計方法不同，本文研究的變寬度方法如下：1）葉輪寬度減小，輪蓋和葉片型線保持不變；2）蝸殼寬度也同時減小，減去的尺寸和葉輪減去的尺寸相同，保持葉輪后盤到蝸殼側板的距離不變；3）其余部件和尺寸均保持不變。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬幾何模型和數(shù)學模型

本文采用商業(yè)CFD軟件ANSYS FLUENT，在數(shù)值模擬研究中，幾何模型為氣流從進風口到蝸殼出口經(jīng)過的所有流動區(qū)域，其邊界為進風口、葉輪和蝸殼的內(nèi)壁型線，幾何模型的建立采用SolidWorks軟件完成。為了符合實際，在進風口外面加了一小段進風管道，其直徑和進風口進口直徑相等。網(wǎng)格的劃分采用商業(yè)軟件ANSYS ICEM，劃分網(wǎng)格時，對進氣區(qū)域、葉輪和蝸殼這幾部分分別獨立進行劃分，其中葉輪部分在劃分時，先對單個流道進行了網(wǎng)格劃分，再通過圓周陣列復制得到了整個葉輪的模型和網(wǎng)格。本文中所有網(wǎng)格均為六面體結構網(wǎng)格，各個壁面上的網(wǎng)格都進行了邊界層加密，整機網(wǎng)格總數(shù)大約為200萬左右，整體網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上，能夠滿足計算要求。通風機的整機和各部分的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 通風機整機和各部分網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 The fan overall unit and components mesh

在完成各部分的網(wǎng)格劃分后，在ANSYS FLUENT軟件中再將這些部分組合起來，各部分之間采用Interface連接。

在FLUENT求解中采用穩(wěn)態(tài)計算；采用多參考系方法（MRF），葉輪所在區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域；邊界條件中進口采用速度進口，出口采用大氣壓力出口；湍流模型采用RNG k-ε模型，壁面為標準壁面；求解方式用SIMPLEC；求解格式中壓力項為Standard，其余均為二階迎風格式。

在本文進行數(shù)值模擬時，一般選取7個流量點，在FLUENT中進行模擬計算后，讀取結果并經(jīng)簡單的換算，得出各流量點上風機的全壓和效率后，再將7個點的數(shù)據(jù)繪制到一起，即可得到風機的性能曲線。

3.2 數(shù)值模擬

在上述變寬度方法下，通過數(shù)值模擬對4-72№4.5A直葉片風機進行了變寬度的研究，變?nèi)~輪寬度葉輪的出口寬度變化百分比包括20%，40%，60%，70%，80%，葉輪轉(zhuǎn)速設定為2 900r/min。圖3為4-72№4.5A型離心通風機變寬度時的數(shù)值模擬性能參數(shù)。

圖3 4-72№4.5A型風機變寬度機型數(shù)值模擬數(shù)據(jù)Fig.3 The Numerical simulation result of 4-72No4.5A fan with impeller width changed

從圖3可以看出，隨著寬度變化量的增加，通風機的流量和全壓都逐漸減小，并且在高效區(qū)間的范圍也逐漸縮小。而最高效率點的效率并沒有隨著葉輪出口寬度改變而立即減小，只有當寬度變化量達到80%的時候，效率才明顯降低。

3.3 最高效率點數(shù)據(jù)分析

對比通風機最高效率點的性能變化，可以分析出其不同寬度改變量下風機的性能變化規(guī)律。本文分析了離心通風機最高效率點的性能隨其葉輪出口寬度改變的變化。圖4至6給出了4-72№4.5A型離心通風機在不同寬度變化量下，其最高效率點流量、全壓和效率的變化規(guī)律。

圖4 最高效率點流量隨寬度改變的變化Fig.4 The flow rate vs the width changes in the highest efficiency point

圖5 最高效率點全壓隨寬度改變的變化Fig.5 The total pressure at the maximum efficiency point varying with changing width

圖6 最高效率點效率隨寬度改變的變化Fig.6 The efficiency at the maximum efficiency point varying with changing width

圖4是變寬度后風機原機在最高效率點流量的比值隨出口寬度改變的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著寬度改變量的增加，離心通風機最高效率點的流量逐漸減小，并且其減小趨勢基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。

圖5是變寬度后風機和原型機在最高效率點全壓比值隨著出口寬度改變的變化規(guī)律。可以看出，隨著寬度改變量的增加，離心通風機最高效率點的全壓也逐漸減小，并且其減小的趨勢接近于拋物線規(guī)律，即寬度變化量較小時其全壓降低速度緩慢，寬度變化量變大后，隨著寬度改變量的增加全壓降低速度加快。

而通過圖6可以看出，離心通風機最高效率點的效率并沒有隨著寬度改變的增加而立即降低，只有當寬度變化量大于70%后，才出現(xiàn)明顯的效率降低。當然，此數(shù)值模擬結果仍需試驗驗證。

由于離心通風機最高效率點的效率在很大的一個變寬度范圍內(nèi)都未隨著寬度改變的增加而降低，所以考慮最大可變寬度時主要考慮風機全壓的變化，從圖5可以看出，當出口寬度變化量在20%以內(nèi)時，全壓依然可以保持為原型機全壓的98%以上，從圖3（b）中也可以看出，其高效區(qū)的范圍并沒有明顯減小，依然有一個較寬的范圍。所以，通過數(shù)值模擬的結果可以初步得出，通過新的變出口寬度的方法，可以將變寬度的范圍適當?shù)奶岣摺?/p>

4 數(shù)值模擬和試驗結果對比驗證

數(shù)值模擬和試驗結果對比驗證在本文的研究中，對4-72No4.5A型直葉片離心通風機原機進行了數(shù)值模擬，同時也對其進行了試驗測量，并將數(shù)值模擬和試驗測量結果進行了對比驗證。

本文根據(jù)GB/T 1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗中的進氣試驗方法，對4-72No4.5A型直葉片風機的流量、壓力和效率等參數(shù)進行了試驗測量，試驗中用到的測量儀器如表2所示。

表2 相關測量儀器Tab.2 The measurement device

試驗實物照片如下圖7所示。

圖7 通風機風管式進氣性能試驗實物照片F(xiàn)ig.7 The performance experiment of wind duct

數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采用西安交大流體機械所研發(fā)的《MGS通風機試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)》進行采集，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示，擁有精度高、數(shù)據(jù)準確、采集速度快等優(yōu)點，并且能夠完成自動處理和試驗報告生成。

在本文的試驗中，為了保證可靠性，對試驗儀器、采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件都進行了認真仔細的校準和檢驗。

本文中所進行的數(shù)值模擬和試驗測量，風機的轉(zhuǎn)速都設定為2 900r/min。在完成4-72No4.5A型直葉片風機的數(shù)值模擬和試驗測量后，對兩者的數(shù)據(jù)進行了對比驗證，圖8為4-72No4.5A型直葉片風機數(shù)值模擬結果和試驗結果的對比。

圖8 4-72No4.5A型直葉片通風機性能的模擬值和試驗值對比Fig.8 The comparison of simulation and experiment results of 4-72No4.5A fan

從圖8（a）可以看出，雖然在最大和最小流量處，數(shù)值模擬結果和試驗結果略有偏差，但是在整體曲線上，數(shù)值模擬結果和試驗結果能夠較好的吻合，特別是在高效點附近曲線基本重合。從圖8（b）中看出數(shù)值模擬結果和試驗結果也吻合得較好，其中高效點所在的流量位置基本相同。雖然模擬效率整體上比試驗效率低了大約5個百分點，但是由于在本文的研究中，采用的是模擬數(shù)值之間的對比來進行研究并找出其變化規(guī)律，所以這個誤差并不影響使用數(shù)值模擬方法的真實可靠性。

為了驗證變寬度數(shù)值模擬得到的結果，也進行了變寬度的試驗驗證。選用了葉輪出口寬度分別為原機100%、80%、70%和60%的四臺通風機，試驗結果見圖9和圖10。

圖9 流量-全壓曲線Fig.9 The flow rate-total pressure curve

圖10 流量-效率曲線Fig.10 The flow rate-efficiency curve

從圖9和圖10中可以看出，從流量-全壓曲線來說，雖然在小流量處，數(shù)值模擬結果和試驗結果有些偏差，但在整體曲線上有較好的吻合，特別是在高效點附近。從流量-效率曲線來看，雖然在整個曲線上，模擬效率比試驗效率要低大約3～5個百分點，但高效點所在的流量位置基本相同，且我們研究的是隨著葉輪出口寬度的改變，風機性能的變化規(guī)律，因此這些誤差并不影響本文研究結果。

如表3中試驗數(shù)據(jù)的所示，隨著寬度的變化，離心通風機最高效率點的效率也沒有隨著寬度的減小而迅速降低，這和模擬數(shù)據(jù)得到結果一樣。但從高效范圍來看，當寬度變化為20%時，依然能夠保持一個較寬的范圍，約為原機的91.7%，而當寬度變化范圍增大到30%和40%時，離心通風機的高效范圍會有明顯的變窄，高效范圍降到原機的80%左右。所以將寬度變化范圍擴大到30%以上不可取。

表3 試驗通風機高效范圍數(shù)據(jù)Tab.3 High efficiency range of testing fan

當將寬度變化范圍擴大到20%時，其高效點效率為原機的98.82%，高效范圍為原機的91.7%，高效點全壓為原機的97.89%，各項性能都沒有明顯變小。所以，我們認為，通過新的變?nèi)~輪寬度方法，可以將變?nèi)~輪出口寬度的變化范圍擴大到20%，依然可以保證離心通風機在較高的效率和較寬的高效范圍內(nèi)運行。

5 結論

提出了一個關于離心通風機變?nèi)~輪出口寬度的變型設計方法，通過數(shù)值模擬和試驗驗證，對4-72№4.5A型直葉片離心通風機進行了研究，發(fā)現(xiàn)將傳統(tǒng)的寬度變化范圍從15%擴大到20%后，離心通風機的效率、全壓和高效范圍與原機相比并沒有明顯的減小，依然可以在較高的效率和較寬高效范圍內(nèi)運行。因此，認為通過新的變?nèi)~輪出口寬度方法，可以適當擴大葉輪出口寬度的變化范圍。

[1]李慶宜.通風機[M].西安：西安交通大學出版社，1978.

[2]續(xù)魁昌.風機手冊（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[3]何鵬飛，李嵩，黃東濤，等.離心通風機變型設計新方法[J].風機技術，2009（1）：27-30.

[4]霍春鳳，吳秉禮，郝廣志.暖氣通風機選型與變型設計[J].低溫建筑技術，2005（4）：91-92.

[5]張顧鐘.離心風機優(yōu)化設計方法研究[J].風機技術，2011（5）：26-30.

[6]劉滬紅.離心通風機葉輪改變?nèi)~片出口安裝角的性能試驗研究[J].風機技術，2015（3）：28-30.

[7]許成法.前向風機變形設計的試驗研究[J].流體機械，1985（1）：16-18.

[8]李強，王艷平.通風機改造及變型設計[J].風機技術，2001（5）：5-6.

[9]齊毓元.風機變型設計的幾點體會[J].華東電力，1992（10）：42-44.

Changing Width Design of Centrifugal Fan

Yi-yun ZhangJun-jun TianGao-zhong JiangYi-ke Zhang
（School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University）

In this paper,the design of variable impeller outlet width of 4-72№4.5A type straight blade centrifugal fan is analyzed by numerical simulation.The results show that the flow rate and pressure radio at the maximum efficiency point of the centrifugal fan decreases with the width of the outlet impeller decreased and the variation of the flow rate is linear while the efficiency does not immediately reduce with the width decrease.From the results it can be concluded that the fan efficiency can maintain a high level,when the width changes by less than 20%which is a larger value than the 15%traditional recommended.This result is verified by fan tests.

centrifugal fan,variant design,impeller outlet width,numerical simulation

2017-05-25 陜西 西安 710049

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0053-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0009