簡曉書 陳 強 賽慶毅 吳和遠 朱志能

（1.貴州航天林泉電機有限公司；2.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心；3.上海理工大學能源與動力工程學院）

小型后向離心風機葉輪葉片出口寬度對性能的試驗分析?

簡曉書1，2陳 強1，2賽慶毅3吳和遠1，2朱志能1，2

（1.貴州航天林泉電機有限公司；2.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心；3.上海理工大學能源與動力工程學院）

在某些特殊場合中，離心風機除滿足額定工況外，還需滿足一定流量范圍內(nèi)的流量-壓力曲線斜率要求。本文通過改變后向離心風機葉輪出口寬度，得到了滿足其流量-壓力曲線斜率要求的葉輪。同時分析了其他葉輪參數(shù)相同時，改變?nèi)~輪出口寬度對風機性能的影響。通過獲得葉輪出口寬度對風機特性曲線的影響，為風機葉輪出口寬度的設(shè)計及實際工程中改造葉輪提供參考。

高速離心風機；后向葉輪；葉片出口寬度；性能曲線

0 引言

對于一定流量的后向葉輪，如果葉片出口寬度b2過小，出口速度過大，葉輪后的損失增大；而葉片出口寬度b2過大，擴壓過大，導致邊界層損失增加[1]。而離心風機葉片出口寬度b2對風機性能影響，國內(nèi)外很多學者都做了不少的研究工作。但目前尚缺乏決定葉片出口寬度b2的可靠資料和計算方法[2]，現(xiàn)有的計算方法都是建立在已有經(jīng)驗基礎(chǔ)上的，不同文獻給出的計算公式也不盡相同。

在風機設(shè)計中，葉片出口寬度b2的確定通常采用兩種方法，一種方法是根據(jù)大量已有的離心風機統(tǒng)計得到葉片出口寬度b2與比轉(zhuǎn)速ns的關(guān)系曲線[3]，或者b2與直徑Ds之間的關(guān)系曲線，在風機設(shè)計時，根據(jù)關(guān)系曲線圖取值。但是從總體趨勢上看，關(guān)系曲線大體成一曲線關(guān)系，但這一關(guān)系是十分不嚴格的，因此，由關(guān)系曲線來確定葉片出口寬度值存在很大隨意性。另外一種方法是通過理論公式計算，理論公式中某些參數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗選取或者根據(jù)關(guān)系曲線取值，同樣存在隨意性。

在某些特殊場合，設(shè)備上不具備安裝流量計的條件，只能根據(jù)壓力計的壓力變化進行流量控制。普通壓力計不能適應(yīng)特殊環(huán)境，因國內(nèi)定制壓力計的靈敏度及零漂等因素，使得一定流量變化在壓力計上無法顯示，無法滿足控制要求，所以對風機規(guī)定流量范圍內(nèi)的流量-壓力曲線斜率提出了一定要求。

本文通過改變后向離心風機葉片出口寬度，得到滿足其流量-壓力曲線斜率要求的葉片，同時探討其他葉片參數(shù)相同，不同葉片出口寬度b2對風機性能的影響，并獲得出口寬度改變對風機多個工況點性能參數(shù)的影響和特性曲線變化趨勢，為葉片出口寬度b2的選擇及實際工程中改造葉輪提供參考依據(jù)。

1 風機結(jié)構(gòu)及試驗方法

通過對風機理論參數(shù)的分析，在已有兩種滿足額定點流量壓力指標葉輪的基礎(chǔ)上，選取葉輪參數(shù)關(guān)聯(lián)較少的葉片出口寬度進行分析和設(shè)計，得出相應(yīng)的葉輪模型，從而獲得不同的風機特性曲線。

兩種風機采用相同的結(jié)構(gòu)，其中一種試驗風機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由葉輪、密封環(huán)、鎖緊螺母、蝸殼以及電機組成。試驗時，忽略蝸殼、密封環(huán)和鎖緊螺母等零部件對風機性能的影響，利用現(xiàn)有兩種風機的零部件和電機，更換不同出口寬度的葉輪進行性能試驗。試驗過程中，通過將電機閉環(huán)為固定轉(zhuǎn)速，調(diào)整試驗裝置閥門來獲得風室靜壓、流量壓差、電流等試驗參數(shù)，最終轉(zhuǎn)換為標準狀態(tài)下的風機參數(shù)，得到風機的性能曲線，并對其進行分析。

圖1 風機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Centrifugal fan structure

本文試驗的兩組葉輪葉片均采用長短機翼型葉片，進口8片，出口16片，葉輪的部分相關(guān)尺寸如表1所示，試驗1和試驗2部分葉輪和風機實物如圖2所示。

表1 葉輪相關(guān)尺寸表Tab.1 Impeller parameters

圖2 試驗1和試驗2風機和葉輪實物圖Fig.2 Test 1 and test 2 fans and impellers

試驗裝置和測試系統(tǒng)嚴格按照國家標準GB/T 1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗的要求設(shè)計、制造[4]，采用B型進氣試驗裝置進行試驗，在風機出氣端連接試驗裝置，試驗裝置實物如圖3所示。試驗用儀器均在檢定周期內(nèi)，精度滿足上述標準要求，試驗結(jié)果均為換算到標準狀態(tài)下的試驗結(jié)果。

圖3 試驗裝置實物圖Fig.3 Test device

2 性能試驗及試驗曲線

2.1 試驗1

原風機的葉片出口寬度為2.8mm，其中一個額定工況點的流量為300L/min時，全壓為2 500Pa。試驗時采用相同的蝸殼、密封環(huán)和電機，采用閉環(huán)控制將轉(zhuǎn)速恒定為13 200r/min，分別對出口寬度為3mm，2.8mm和1.5mm的三個葉輪進行試驗，不同出口寬度葉輪的風機性能試驗曲線如圖4所示。

圖4 離心風機性能曲線Fig.4 Test 1 centrifugal fan performance curve

葉片出口寬度分別為3mm和1.5mm，相對于原葉輪葉片出口寬度為2.8mm的性能偏差見表2。

表2 試驗1通風機性能偏差表Tab.2 Test 1 centrifugal fan performance deviation %

試驗結(jié)果表明，與原葉輪b2=2.8mm相比，b2=3mm葉輪的通風機流量-全壓向右上方偏移，大流量區(qū)的壓力曲線幾乎平行于原葉輪；流量-效率曲線向下方偏移，高效區(qū)域效率低于原葉輪通風機效率，小流量和大流量段效率接近。

b2=1.5mm葉輪的流量-全壓曲線向左下方偏移，且在大流量區(qū)域，隨著流量增大，風機壓力比原葉輪下降速度快，即風機流量-全壓曲線斜率增大。風機流量-效率曲線向左下方偏移，高效點往小流量移動，并隨流量增大，效率快速降低。

從圖上看出，在小流量區(qū)域，風機效率比較接近，壓力隨葉片寬度增大而增大。葉輪b2=2.8mm是原設(shè)計，各種損失應(yīng)是最小的。當改變b2后，隨著流量增大，各種損失增大，因此通風機效率有所降低，b2改變越大，效率損失越多。

2.2 試驗2

為了全面研究葉片出口寬度對通風機性能的影響，本文采用另一組葉輪進行試驗分析。原離心風機葉輪出口寬度為1.5mm，其中一個額定工況點的流量350L/min，全壓5 000Pa。試驗時采用相同的蝸殼、密封環(huán)和電機進行，采用閉環(huán)控制將轉(zhuǎn)速恒定為15 730r/min，分別對出口寬度為1.5mm和1mm的兩個葉輪進行試驗，不同出口寬度葉輪的風機性能試驗曲線如圖5所示。

圖5 離心風機性能曲線Fig.5 Test 2 centrifugal fan performance curve

葉片出口寬度1mm，相對于原葉輪葉片出口寬度為1.5mm的性能偏差見表3。

表3 試驗2通風機性能偏差表Tab.3 Test 2 centrifugal fan performance deviation %

試驗結(jié)果表明，與原葉輪b2=1.5mm相比，b2=1mm葉輪的通風機流量-全壓、流量-效率曲線向左下方偏移。通風機壓力和效率隨著流量增大而加速降低，最高效率點往風機小流量移動。

3 b2對風機性能的影響

3.1 b2對通風機流量及壓力的影響[5]

如果忽略葉輪充滿系數(shù)μ的影響，對于后向葉輪，應(yīng)用連續(xù)方程可以推導出流量與葉片出口寬度b2之間關(guān)系式：

式中，D2為葉輪外徑；τ2為出口阻塞系數(shù)，葉輪為無折邊Δ，則阻塞系數(shù)公式為；c2m為出口子午速度。

由于實際氣體在葉道中流動所產(chǎn)生的各種損失，降低了葉輪傳遞給氣體的能量，則有限葉片理想氣體全壓方程計算式為：

式中，ε為滑移系數(shù)；ηh為流動效率；tanβ2為葉片出口角度 ，；u2為葉輪外緣圓周速度，。

忽略葉片出口寬度改變前后葉輪軸向渦流和摩擦損耗變化的影響，則氣流在葉輪出口處的相對速度產(chǎn)生偏離量相等，即葉片出口寬度改變前后出口氣流角β2不變。由于葉輪其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速一定，葉輪出口阻塞系數(shù)τ2相等。由式（1）和式（2）可以看到，葉片出口寬度b2增大時，風機流量qv增加，壓力不變，風機流量-壓力曲線往右上方偏移；葉片出口寬度b2減小，風機流量qv減小時，壓力不變，流量-壓力曲線往左下方偏移，由于葉片出口寬度改變后，各種損失增加，壓力會有所減小，試驗結(jié)果也證明了葉片出口寬度b2對流量和壓力的影響[6]。

3.2 b2對通風機流量-壓力曲線斜率及效率的影響

根據(jù)流量與壓力推導出流量-壓力曲線斜率關(guān)系式：

將試驗1工況流量范圍（240～350L/min）和試驗2工況流量范圍（300～420L/min）的流量-壓力曲線進行線性擬合，曲線斜率如表4所示。

從表4和式（3）看出，當出口寬度b2增大時，流量-壓力曲線斜率k減??；當出口寬度b2減小時，流量-壓力曲線斜率k增大，試驗結(jié)果與理論吻合。

表4 風機流量-壓力曲線斜率Tab.4 Centrifugal fan flow-pressure curve slope

從圖3和圖4看出，在相同流量qv時，當改變b2寬度后，風機出口速度變化，風機的各種損失增大，并且蝸殼和進風口與葉輪的匹配有所變化，因此風機效率會有所下降[7]，試驗結(jié)果也證明了b2為3mm和1.5mm時的葉輪效率均有所下降。

同時在大流量區(qū)域，隨著流量的進一步增大，壓力曲線下降加快[8]，即流量-壓力斜率增大，同時效率降低更明顯。

3.3 b2對通風機工況性能改變

由于b2改變后，風機的設(shè)計工況點也隨著發(fā)生變化，忽略其他因數(shù)的影響，則b2改變后的流量：

式中，b2，qv分別為原風機的葉片出口寬度和設(shè)計工況點流量；帶有“′”的為b2改變后的出口寬度和對應(yīng)流量。按式（4）計算得到b2改變后新風機工況點的流量，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到該點的壓力和效率，表5即為兩組原風機工況點和b2改變后新風機等效工況點的性能。

從表5可以看出，按式（4）等效新風機工況點后，試驗一中當葉片寬度由2.8mm增大為3mm時，壓力增大3.4%，效率降低小于1%，說明葉輪葉片出口寬度變化較小時，葉輪內(nèi)部等效點的氣體流動狀態(tài)基本一致，與前文理論分析一致。

表5 通風機b2改變前后工況點性能參數(shù)Tab.5 The performance parameters of the centrifugal fan before and after changesb2

試驗1中葉片寬度b2由2.8mm減小1.5mm和試驗2中b2由1.5mm變?yōu)?mm時，等效工況點的壓力和效率降低較大。由于葉片柵距不變，葉片出口寬度減小，相應(yīng)工況點流道內(nèi)的摩擦損耗和渦流損失增大，導致風機流動損失增大，進而降低了通風機的實際壓力和效率。同時還可以看出，b2存在一個最佳值使風機效率最高。

4 數(shù)值分析

為了進一步分析葉輪出口寬度對風機性能變化的影響以及探討其性能變化的內(nèi)在依據(jù)，本文選取試驗2中出口寬度為1.5mm和1mm的葉輪進行仿真分析。

采用CFD分析軟件Fluent對風機進行流場仿真分析。仿真時設(shè)置相同轉(zhuǎn)速，邊界條件采用自由進口、壓力出口以及壁面采用標準壁面函數(shù)。同一截面的全壓云圖和速度云圖如圖6和圖7所示，從圖上可以看到出口寬度為1mm的葉輪出口處速度大，且葉片壓力面與吸力面速度差異明顯，在流道內(nèi)容易形成回流，影響風機效率。從整體來看，葉輪出口寬度減小，相同流量下風機壓力減小，效率降低，與理論分析一致。

圖6 同一截面的全壓云圖Fig.6 The total pressure in the same section

圖7 同一截面的速度云圖Fig.7 The velocity in the same section

5 結(jié)論

本文通過兩組不同出口寬度b2葉輪的性能試驗，并進行理論分析和比較，得出以下結(jié)論：

1）當b2改變后，風機各種損失增大，效率降低。隨著b2減小，風機流量-壓力曲線往左下方偏移，并隨流量增大降低。

2）風機的工況點隨著葉片出口寬度b2變化而移動。相對流量的變化，風機壓力變化小，并隨著出口寬度變化量增大，壓力降低量增加。

3）葉片出口寬度的變化改變了流量-壓力曲線斜率k，可以利用該特性來設(shè)計有多個不同工況點流量-壓力需求的風機。通過本文試驗研究，采用了試驗一中b2=1.5mm葉輪方案，使其滿足三個工況點的流量和壓力要求。

根據(jù)改變?nèi)~輪葉片出口寬度的性能變化規(guī)律，為實際工程中已有風機的葉片出口寬度改造提供依據(jù)。通過本文試驗說明了該改型設(shè)計方法是可行的，具有一定的實用價值。

[1]李慶宜.通風機[M].北京:機械工業(yè)出版社，1981.

[2]Ech B.Fans[M].Pergamon Press，Oxford，1973.

[3]張玉成，儀登利，馮殿義，等.通風機設(shè)計與選型[M].北京:化學工業(yè)出版社，2011.

[4]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T1236-2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗[S].北京：中國標準出版社，2001.

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Effect of the Blade Outlet Width on the Performance of Small High Speed Backward Curved Centrifugal Fans

Xiao-shu Jian1,2Qiang Chen1,2Qing-yi Sai3He-yuan Wu1,2Zhi-neng Zhu1,2
（1.Guizhou Aerspace Linquan Motor Co.Lth；2.National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors；3.School of Energy and Power Enginerning,University of Shanghai for Science and Technology）

In special cases,centrifugal fans have to meet not only the rated operating conditions but also a certain slope of the flow-pressure curve within a specific flow range.In this paper,an impeller that exhibits a certain slope of the flowpressure curve is obtained by changing the impeller blade outlet width.At the same time,the influence of the impeller blade outlet width on the performance of the fan is analyzed while keeping all other impeller parameters constant.The influence of the blade outlet width on the fan characteristic curve is determined,which can provide a reference case for the design of the impeller outlet width in the engineering practice of impeller modifications.

high-speed centrifugal fan,backward curved impeller,blade outlet width,performance curve

TH43；TK05

1006-8155-(2017)05-0071-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0012

黔科合人才團隊[2014]4023號資助，貴州省航天用低噪聲、長壽命、高可靠微特電機關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)科技創(chuàng)新團隊

2017-05-08 貴州 貴陽 550081