唐照付 金守清 朱如洪 李品善/上海諾地樂通用設備制造有限公司

離心風機切割定律的研究和探討

唐照付 金守清 朱如洪 李品善/上海諾地樂通用設備制造有限公司

本文在風機相似定律的基礎上推導出離心風機的切割定律計算公式。通過試驗和CFD對幾種風機進行葉輪切割研究，給出了比轉速為～14的離心風機修正系數(shù)k與切割量占比的線性關系，對離心風機葉輪切割后性能推算具有指導意義。

離心風機；切割定律；葉輪；CFD

0 引言

離心風機的應用范疇非常廣泛，在實際使用時由于選型或設計的原因，經常出現(xiàn)設計性能與實際需要的性能或多或少存在一些偏差，一般的方法有通過調節(jié)轉速、管路系統(tǒng)配置調節(jié)風閥等來調節(jié)風機運行性能。離心風機直聯(lián)驅動相對皮帶驅動易損件少、更可靠，但由于直聯(lián)時受轉速限制，性能比較固定，配置變頻器又增加了設備成本，這樣就限制了直聯(lián)風機的選型空間。一般風機生產廠家都是按系列化標準化生產的，當遇到風機性能不滿足客戶需求時，需要進行非標設計，但往往設計不精確，開發(fā)周期長費時費力。由于離心風機切割定律的文獻報道極少，借鑒離心泵的切割定律[1-2]，本文旨在探討離心風機葉輪切割對性能的影響規(guī)律，希望能為風機相關工程技術人員在非標葉輪設計及現(xiàn)有風機改造設計方面提供一些參考。

1 離心風機切割公式推導

葉輪切割就是將葉輪外緣車掉一部分，往往需要切割的量不是很多，否則性能改變過大，嚴重影響效率。當葉輪切割量很小時，葉片出口寬度和出口安裝角變化都不是很大，在一定程度上滿足風機相似定律，但需要對相似定律進行修正即得到切割定律。

風機相似定律[3-4]：

相同轉速相同進氣條件下的相似定律為：

為了使風機的相似定律更加精確地應用于切割后的性能推算，這里引入修正系數(shù)K，則切割量：

將式（9）帶入式（4）～（6）得修正后的相似定律即切割公式：

式中，Q，P，N，D2為利用相似定律計算時的設計變量；QM，PM，NM，D2M為模型變量；D2'為利用切割公式計算時的設計變量。

這里，由于切割量越多或切割后葉片出口寬度及出口安裝角變化越大，切割定律相對相似定律誤差越大，修正系數(shù)K就越大，下面將借助試驗和CFD數(shù)值模擬來探討K值。

2 試驗研究

利用本公司現(xiàn)有條件，選取一臺箱式離心風機進行試驗。風機原型及切割后尺寸如表1所示。

1#、2#和3#風機實際測試結果（試驗平臺為上海諾地樂通用設備制造有限公司AMCA國際認證的空氣動力性能實驗室，測試方法為A型風室進氣試驗）[5]如圖1所示。

表1 不同切割占比對應的葉輪尺寸參數(shù)表

圖1 葉輪不同切割占比性能對比圖

2#風機實測數(shù)據和1#風機相似換算數(shù)據及1#風機切割定律推導數(shù)據對比如圖2所示。

3#風機實測數(shù)據和1#風機相似換算數(shù)據及1#風機切割定律推導數(shù)據對比如圖3所示。

據圖2和圖3可知，葉輪切割后實測性能與用相似定律推導的數(shù)據存在較大誤差，相似定律推導的數(shù)據偏小，切割量越多，誤差越大；而修正后的相似定律即切割定律計算出的數(shù)據與實測數(shù)據吻合很好，這里所選的修正系數(shù)K值2#風機為1.1，3#風機為1.25，可見切割量越多修正系數(shù)越大。由于試驗條件限制，為了得到K值的普遍選取規(guī)律，下面將借助CFD這一經濟可行的方法對其進行研究。

圖2 2#風機性能切割與相似對比圖

圖3 3#風機性能切割與相似對比圖

3 CFD數(shù)值模擬對K值選取的研究

圖4 箱式風機流場圖

為了驗證所選計算方法的可靠性，將上述箱式離心風機的CFD計算結果與實測結果進行了對比。數(shù)值模擬所選軟件CFX，風機模型及流場分布見圖4。模擬采用四面體網格，邊界層inflation設置3層，cell單元數(shù)525萬，分析類型為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮，湍流模型SST，動靜子交界面interface Models：General Connection，坐標系變換或混合模型選Frozen Rotor即凍結轉子法，Pitch Change選None，Mesh Connection選GGI，壁面函數(shù)選自動Automatic。求解器對流項選迎風格式Upwind，湍流計算采用高階算法High Resolution。邊界條件為速度進口，自由出口，葉輪壁面無滑移旋轉，其余壁面為靜止[6]。CFD計算結果與實測數(shù)據對比見圖5。

圖5 CFD計算結果與實測數(shù)據對比圖

如圖5對比可知所選CFD計算方法得到的數(shù)據與實測數(shù)據吻合較好，全壓最大誤差4.5％；功率最大誤差5.5％，實測功率是軸功率，CFD所計算功率為空氣功率即內功率，所以兩者誤差較大一些。說明該CFD方法具有一定參考意義。故在此基礎上，計算了另外兩種型號的風機(如表2），并對葉輪進行一定量的切割。

風機一切割后CFD數(shù)據與用切割前CFD數(shù)據進行切割定律推算后的數(shù)據對比見圖6。

風機二切割后CFD數(shù)據與用切割前CFD數(shù)據進行切割定律推算后的數(shù)據對比見圖7。

圖6 風機一CFD數(shù)據與切割定律推導數(shù)據對比圖

圖7 風機二CFD數(shù)據與切割定律推導數(shù)據對比圖

表2 不同風機切割修正系數(shù)表

綜合上述各風機修正系數(shù)K值和切割占比的關系，擬合成如圖8所示的曲線。經過我公司比轉速為9～14其他型號風機切割定律的CFD驗證，圖8所示修正系數(shù)K值與切割占比的關系吻合很好，這里不再贅述性能的對比情況。

圖8 修正系數(shù)K值與切割占比的關系圖

4 結論

1）根據風機相似定律推導出修正后的離心風機相似定律，即切割定律公式。

2）修正系數(shù)K值與切割量（切割占比）有關，切割占比越大K值越大。當比轉速在9～14之間時，K值與切割量占比基本成正相關，修正系數(shù)K與切割占比的關系曲線見圖8。

3）由于本文研究的離心風機種類較少，試驗數(shù)據不充足，本文提出的K與切割占比的規(guī)律僅供與本文相近類型風機和比轉速為7～14的離心風機參考使用。K值的普遍規(guī)律以期后續(xù)研究完善。

[1]關醒凡.泵的理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,1987.

[2]關醒凡.現(xiàn)代泵理論與設計[M].中國宇航出版社,2011.

[3]李慶宜.通風機[M].北京：機械工業(yè)出版社,1981.

[4]徐忠.離心式壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[5]ANSI/AMCA 210-07.Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating,2007.

[6]丁源，吳繼華.ANSYS CFX 14.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社,2013.

ResearchandDiscussionon Cutting-downLawfor Centrifugal Fans

Tang Zhao-fu,Jin Shou-qing,Zhu Ru-hong, LiPin-shan/ShanghaiNautilusGeneral Equipment Manufacturing Co.,Ltd

The cutting law for centrifugal fansisdeducedbasedonsimilarity betweenlawsoffansinthispaper. Through research on impeller cutting on several kinds of fan by experiment and CFD methods,the relation of correction factor k is linear to cutting value for centrifugal fans with rotation speeds of 9～14.This offers some guidance for deducing centrifugal fan performance after cutting the impeller.

centrifugal fan;cutting-down law;impeller;CFD

TH432;TK05

A

1006-8155（2016）02-0066-04

10.16492/j.fjjs.2016.02.0060

2015-10-28上海201806