凌敬劉乾坤季振勤冀春俊

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司；2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院）

葉柵稠度對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能影響的研究

凌敬1劉乾坤1季振勤1冀春俊2

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司；2.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院）

用數(shù)值模擬方法對(duì)風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，研究葉柵稠度對(duì)小型多翼離心風(fēng)機(jī)性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：多翼離心風(fēng)機(jī)的流量、全壓、全壓效率都隨葉柵稠度增大先增大后減小，存在最佳稠度使風(fēng)機(jī)的性能最優(yōu)；葉柵稠度小時(shí)，葉片的負(fù)荷大，葉輪容易產(chǎn)生大尺度流動(dòng)分離，尤其是在徑向速度較小的葉頂附近，嚴(yán)重時(shí)可能造成風(fēng)機(jī)失速，流動(dòng)損失增大，風(fēng)機(jī)性能下降；葉柵稠度大時(shí)，葉片表面積大，附面層摩擦損失大，風(fēng)機(jī)效率低，同時(shí)葉片數(shù)多使葉輪通流面積減小，流動(dòng)阻塞，風(fēng)機(jī)流量降低。

多翼離心風(fēng)機(jī)；稠度；流量；全壓；效率

0 引言

離心風(fēng)機(jī)主要由三個(gè)核心部件組成：葉輪、蝸殼和電機(jī)，葉輪高速旋轉(zhuǎn)將氣體從軸向吸入葉輪，并在葉輪內(nèi)折轉(zhuǎn)，沿著徑向流出葉輪，最后通過(guò)蝸殼將氣體減速增壓并流出風(fēng)機(jī)[1]。小型多翼離心風(fēng)機(jī)以其流量系數(shù)高、全壓系數(shù)大、機(jī)身尺寸小、噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)室內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)中。

國(guó)內(nèi)外對(duì)離心風(fēng)機(jī)的研究主要集中在葉輪[2-5]和蝸殼[6-8]兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件上，研究不同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明葉輪形式、葉片角度、葉輪通道形式、蝸殼開(kāi)度、蝸舌形式以及葉輪和蝸殼之間的配合對(duì)離心風(fēng)機(jī)的性能影響比較大。只有合理的選擇葉輪和蝸殼參數(shù)才能得到高性能的離心風(fēng)機(jī)。

對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的研究主要有兩種方式：實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究[9-11]。數(shù)值模擬具有周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)值模擬可靠性是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的高速發(fā)展，湍流模型、差分格式以及網(wǎng)格劃分技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的速度和精度都有了很大的提高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中[12-15]。

葉柵稠度作為多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)流量系數(shù)、全壓系數(shù)和風(fēng)機(jī)效率有很大影響。一方面葉柵稠度大時(shí)，葉片數(shù)過(guò)大，會(huì)造成葉輪質(zhì)量增大，成本增加，葉片表面積增大，摩擦損失增大，效率降低；另一方面葉柵稠度小時(shí)，葉片數(shù)過(guò)少，會(huì)造成葉片負(fù)荷過(guò)高，葉輪通道內(nèi)流動(dòng)分離，損失增加，效率降低。只有合理選擇葉柵稠度和葉片數(shù)才能得到較高的氣動(dòng)性能，因此本文用數(shù)值模擬方法研究了葉柵稠度對(duì)空調(diào)用多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

1 離心風(fēng)機(jī)幾何模型

本文研究的是單吸多翼離心風(fēng)機(jī)，主要包括兩個(gè)部件：離心葉輪和蝸殼，風(fēng)機(jī)幾何模型如圖1所示。離心風(fēng)機(jī)原型主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)幾何模型Fig.1Geometry of centrifugal fan

表1 離心風(fēng)機(jī)幾何參數(shù)Tab.1Geometricparametersofmulti-bladecentrifugalfan

2 風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)本文研究多翼離心風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件氣體流動(dòng)狀態(tài)，將離心風(fēng)機(jī)分為進(jìn)口段、葉輪、蝸殼三部分，并分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

本文模擬的多翼離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分采用商業(yè)軟件ANSYS/ICEM CFD模塊，所有部件網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，固體壁面第一層網(wǎng)格厚度0.01mm，保證y+＜10。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)總網(wǎng)格數(shù)約為800萬(wàn)。葉輪網(wǎng)格劃分方法：首先用分塊結(jié)構(gòu)化方法劃分單個(gè)流道網(wǎng)格，并在葉片表面、端壁和葉頂間隙內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密，設(shè)置邊界層；再?gòu)?fù)制得到整個(gè)葉輪網(wǎng)格，總數(shù)約為620萬(wàn)，如圖2所示。進(jìn)口段網(wǎng)格總數(shù)約為40萬(wàn)，在葉根和葉頂設(shè)置邊界層，如圖3所示。蝸殼用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，總數(shù)約為140萬(wàn)，在固體壁面設(shè)置邊界層，并在葉頂間隙進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示。

圖2 葉輪網(wǎng)格Fig.2Grid of impeller

2.2數(shù)值模擬方法

本文分別對(duì)葉片數(shù)為23，29，35，41，47，53的多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)應(yīng)的葉柵平均稠度為0.871 6，1.098 9，1.326 3，1.553 7，1.781 0，2.008 4，研究葉柵稠度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。

數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件ANSYS/CFX進(jìn)行N-S方程求解，差分格式為高精度混合差分。本文數(shù)值模擬湍流模型選擇參考了文獻(xiàn)[9]的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，選擇了兩方程k-ε模型。將進(jìn)口段和蝸殼設(shè)置為靜止域，葉輪設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200r/min，進(jìn)口總壓101325Pa，進(jìn)口總溫293K，出口靜壓101325Pa，壁面為絕熱、無(wú)滑移邊界。進(jìn)口段和葉輪交接面、葉輪和蝸殼交接面均設(shè)為旋轉(zhuǎn)交接面。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能

本文用數(shù)值方法研究葉柵稠度對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同葉柵稠度下離心風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表Tab.2Aerodynamic performance parameters of different solidity in centrifugal fan

隨著多翼離心風(fēng)機(jī)葉柵稠度增大：風(fēng)機(jī)流量、全壓、靜壓、效率、功率都呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，本文計(jì)算中稠度為1.553 7時(shí)最大；葉輪全壓則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)率逐漸減小；蝸殼總壓損失系數(shù)先減小后增大，本文計(jì)算中稠度為1.553 7時(shí)最小，如圖4所示。當(dāng)多翼離心風(fēng)機(jī)葉片數(shù)為41，稠度為1.553 7時(shí)，離心風(fēng)機(jī)的流量、全壓和效率最大，氣動(dòng)性能最優(yōu)。

圖4 離心風(fēng)機(jī)性能參數(shù)隨葉柵稠度變化規(guī)律Fig.4Aerodynamic performance parameters variation with solidity in centrifugal fan

3.2 流場(chǎng)分析

在3.1節(jié)中給出了多翼離心風(fēng)機(jī)性能參數(shù)隨葉柵稠度的變化規(guī)律，這里主要分析不同稠度下，風(fēng)機(jī)內(nèi)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而與軸向垂直的展向截面流線能夠很好的展示風(fēng)機(jī)的三維流場(chǎng)。圖5～圖8分別給出了葉頂間隙、90%截面、50%截面、10%截面的二維流線。由于篇幅限制，文中只給出了稠度為0.871 6，1.553 7，2.008 4的數(shù)值模擬結(jié)果。

不同稠度下，多翼離心風(fēng)機(jī)的三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本相同，在靠近葉頂區(qū)域和蝸舌附近都存在大尺度旋渦結(jié)構(gòu)。從葉頂?shù)饺~根氣體由軸向流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為徑向流動(dòng)，軸向速度分量逐漸減小，垂直于軸向速度分量逐漸增大。下面分別分析風(fēng)機(jī)葉輪和蝸殼內(nèi)的三維流場(chǎng)。

首先分析風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在靠近葉頂區(qū)域90%葉高位置，不同稠度離心風(fēng)機(jī)內(nèi)，大部分葉片流道內(nèi)都發(fā)生了大尺度的分離，分離區(qū)周向范圍隨稠度變化不大，只有少數(shù)幾個(gè)流道保持著較好的附著流動(dòng)，如圖5和圖6所示。與葉頂區(qū)域相比，在葉展中部50%葉高位置，葉輪內(nèi)發(fā)生分離區(qū)域明顯減小，發(fā)生分離的流道數(shù)量也會(huì)減少，分離渦尺度隨稠度增大而減小，如圖7所示。與葉展中部相比，在靠近葉根區(qū)域10%葉高位置，葉輪分離區(qū)進(jìn)一步減小，而且隨稠度增大發(fā)生分離的流道數(shù)量進(jìn)一步減少，分離區(qū)減小。稠度為1.553 7和2.008 4時(shí)葉輪內(nèi)基本沒(méi)有分離流動(dòng)，只有蝸舌附近的3個(gè)流道發(fā)生小尺度分離，但是稠度為0.871 6時(shí)還有近1/4的葉輪流道發(fā)生分離，如圖8所示。

蝸殼作為離心風(fēng)機(jī)的另一個(gè)核心部件，它的性能也直接決定了整個(gè)風(fēng)機(jī)的性能?？拷~頂區(qū)域，葉頂間隙和10%葉高位置，蝸舌附近存在著小尺度的旋渦結(jié)構(gòu)，本文計(jì)算結(jié)果中稠度為1.553 7時(shí)旋渦尺度最小，稠度增大或減小時(shí)旋渦尺度都有所增大，如圖5和圖6所示。在葉展中部，蝸殼擴(kuò)壓段和蝸舌附近區(qū)域存在大尺度分離渦，同樣稠度為1.553 7時(shí)旋渦尺度最小，如圖7所示?？拷~根區(qū)域，蝸殼內(nèi)沒(méi)有明顯的旋渦結(jié)構(gòu)，流動(dòng)狀態(tài)良好，本文計(jì)算中只有稠度很小時(shí)蝸舌附近有小尺度旋渦，如圖8所示。

圖5 不同葉柵稠度下葉頂間隙內(nèi)流線Fig.5Streamline at tip clearance of different solidity

圖6 不同葉柵稠度下90%葉高（靠近葉頂）流線Fig.6Streamline at 90 percent blade height(near the tip)of different solidity

圖7 不同葉柵稠度下50%葉高流線Fig.7Streamline at 50 percent blade height(mid span)of different solidity

圖8 不同葉柵稠度下10%葉高（靠近葉根）流線Fig.8Streamline at 10 percent blade height(near hub)of different solidity

4 分析與討論

本文數(shù)值模擬結(jié)果中，多翼離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能隨稠度增大，先提高后降低，葉片數(shù)為41，稠度為1.5537時(shí)風(fēng)機(jī)的流量、全壓、效率最大。結(jié)合離心風(fēng)機(jī)三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，其原因如下：

葉片數(shù)較少，葉柵稠度較小時(shí)：每個(gè)葉片的負(fù)荷較大，氣流在葉片流道內(nèi)易發(fā)生分離，而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)失速，流動(dòng)損失增大，風(fēng)機(jī)的全壓和效率減小，風(fēng)機(jī)流量減小。尤其是靠近葉頂附近區(qū)域，氣流的徑向速度較小，造成氣流的進(jìn)氣沖角大，進(jìn)一步增大葉片負(fù)荷，流動(dòng)極易分離，分離區(qū)尺度從葉頂?shù)饺~根逐漸減小，如3.2節(jié)圖6～圖8中σ=0.8716方案所示。

葉片數(shù)較多，葉柵稠度較大時(shí)：作用（1），每個(gè)葉片的負(fù)荷較小，氣流在葉輪中的分離尺度較小，分離損失減小，效率有所提高；作用（2），由于葉片數(shù)增多，葉片表面積增大，葉片表面的附面層摩擦損失增大，又造成風(fēng)機(jī)效率減小，同時(shí)會(huì)使葉片流道通流面積減小，流動(dòng)發(fā)生阻塞，使風(fēng)機(jī)流量降低。葉柵稠度增加，由（1）引起的性能提高不足以抵消由（2）造成的性能降低時(shí)，風(fēng)機(jī)損失增大，效率和流量減小，如3.2節(jié)圖6～8中σ=2.0084方案所示。

另外一方面，本文離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果中，隨葉柵稠度的增大，蝸殼內(nèi)的旋渦尺度呈先減小后增大的趨勢(shì)，稠度為1.5537時(shí)，蝸殼旋渦尺度最小，損失最小。

綜上所述，葉柵稠度作為多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)的性能有非常大的影響，主要是兩方面的作用（1）和（2）。只有合理的選擇葉片數(shù)和葉柵稠度才能得到高性能的多翼離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文用數(shù)值模擬方法研究了葉柵稠度對(duì)小型多翼離心風(fēng)機(jī)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1）離心風(fēng)機(jī)的流量、全壓、全壓效率都隨葉柵稠度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，葉輪全壓隨稠度增大而增大，但變化率逐漸減小。存在最佳稠度使多翼離心風(fēng)機(jī)的性能最優(yōu)。

2）葉柵稠度小時(shí)，單個(gè)葉片的負(fù)荷大，氣流在葉片流道內(nèi)易發(fā)生分離，尤其是在徑向速度較小的葉頂區(qū)域附近，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)失速，流動(dòng)損失增大，風(fēng)機(jī)性能下降。

3）葉柵稠度大時(shí)，葉片數(shù)多，葉片表面積大，葉片表面附面層摩擦損失增大，風(fēng)機(jī)效率降低。與此同時(shí)，葉片數(shù)增多會(huì)使葉輪通流面積減小，流動(dòng)阻塞，使風(fēng)機(jī)流量降低。

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Effect of the Cascade Solidity on the Performance of a Multi-blade Centrifugal Fan

Jing LingQian-kun LiuZhen-qin JiChun-jun Ji
（1.Guangdong Midea Refrigeration Equipment Co.,Ltd.;2.School of energy and Power Engineering,Dalian University of Technology）

In order to investigate the effect of cascade solidity on the aerodynamic performance of a multi-blade centrifugal fan,aerodynamic performance parameters and three-dimensional flow structures are analyzed by numerical simulations using ANSYS/ICEM CFD.The numerical results show that the mass flow,total pressure and efficiency of the multi-blade centrifugal fan vary with the solidity approximately like a parabola.For an optimized solidity the performance of the multi-blade centrifugal fan is the best.When the solidity is reduced,the blade loading will increase,generating larger flow separations which decrease the performance.A larger solidity increases the friction loss due to the boundary layers on blade surface,and thus reduces the mass flow.

multi-blade centrifugal fan，solidity，mass flow，total pressure，efficiency

TH432；TK05

1006-8155-(2017)03-0029-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0004

2017-04-17廣東佛山528311