程 偉 屈?？?肖 金 蔡凱武

基于Flow Simulation的高風(fēng)壓離心式風(fēng)機設(shè)計

程 偉 屈?？?肖 金 蔡凱武

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院機電工程學(xué)部 廣州 511325）

離心式風(fēng)機的風(fēng)壓與其徑向尺寸有著緊密的聯(lián)系，設(shè)計時如果要求結(jié)構(gòu)尺寸緊湊又要達到比較大的風(fēng)壓時會很難兼顧。設(shè)計過程嘗試了從改進葉輪結(jié)構(gòu)形狀和葉片的安裝角度來解決這一問題。通過氣動力計算得到了葉片安裝的入口和出口角度及相關(guān)尺寸，最終采用了前向型葉輪結(jié)構(gòu)。依據(jù)計算的幾何參數(shù)借助Solidworks三維設(shè)計軟件建立了風(fēng)機的幾何模型。最后利用軟件的Flow Simulation 模塊對風(fēng)機進行了風(fēng)壓和流速的數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果顯示選用的前向型葉片滿足了設(shè)計要求。

離心式風(fēng)機；風(fēng)壓；Flow Simulation；數(shù)值模擬

0 引言

離心式風(fēng)機相比較羅茨風(fēng)機有著效率高、能耗噪聲低、占用面積小、安裝維護簡單方便等許多優(yōu)點，近年來得到了廣泛應(yīng)用。離心式風(fēng)機的結(jié)構(gòu)主要由由葉輪和機殼構(gòu)成。葉輪結(jié)構(gòu)根據(jù)葉片彎曲角度不同，分為前向式、后向式和徑向式三種，根據(jù)加工方法不同可以分為鉚接型、焊接型和整體型。機殼通常是用鑄鐵或者鑄鋼澆鑄而成。機殼主要目的是把葉輪后面的氣體匯集起來引到風(fēng)機出口處。同時也對氣流起到一定的降速擴壓作用。離心式風(fēng)機風(fēng)量風(fēng)壓受葉輪葉片角度影響比較大，其他參數(shù)保持不變時，選用前向型葉片的風(fēng)機全壓系數(shù)要比后向和徑向型葉片風(fēng)機的全壓系數(shù)高，可以得到比較高的出口風(fēng)壓[1]。

本次設(shè)計的離心式風(fēng)機主要做爐灶吹風(fēng)用，由于安裝尺寸限制要求其結(jié)構(gòu)緊湊，但風(fēng)壓和風(fēng)量技術(shù)性能指標(biāo)卻相對要求較高，具體設(shè)計技術(shù)指標(biāo)如表1所示。本次設(shè)計離心式風(fēng)機嘗試采用前向型葉輪來滿足這一設(shè)計要求[2]。機殼結(jié)構(gòu)采用了圓筒形鍛鋼機殼，以承受高壓。

表1 風(fēng)機設(shè)計技術(shù)參數(shù)

1 離心式風(fēng)機設(shè)計理論基礎(chǔ)

離心式風(fēng)機葉輪在旋轉(zhuǎn)時，里面的氣體質(zhì)點相對于風(fēng)機基座是一種復(fù)合運動。此時氣體質(zhì)點的絕對速度與葉輪的轉(zhuǎn)速切線方向的牽連速度、氣體對葉輪的相對速度在葉輪葉片入口和出口處的速度關(guān)系為：

（2）

連續(xù)方程、運動方程以及能量守恒方程是描述氣體流動的最基本的控制方程組[3]。在穩(wěn)定流動的管路系統(tǒng)中任意兩截面1、2的氣體質(zhì)量流量保持不變，即連續(xù)性方程：

由于離心式風(fēng)機中氣體基本沒有壓縮，位能變化也很小，所以其伯努力方程為：

式中，H為葉輪旋轉(zhuǎn)時對氣體的做功，1、2為氣體進出口截面上的氣流速度，12為風(fēng)機進出口的風(fēng)壓，h為氣體在風(fēng)際中的流動損失。

風(fēng)機工作時電動機輸入給風(fēng)機的功率應(yīng)與氣體獲得功率相等，即風(fēng)機的能量方程為：

2 葉輪氣動力計算

葉輪的葉片是離心式風(fēng)機向流體傳遞能量的重要零件，葉輪的氣動力計算影響著設(shè)計的風(fēng)機能否獲取理想的風(fēng)壓風(fēng)量。

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)形式的確定

依據(jù)表1中參數(shù)選用直接傳動式風(fēng)機結(jié)構(gòu)計算風(fēng)機比轉(zhuǎn)速：

由于計算比轉(zhuǎn)速n在40～65之間，采用單吸式葉輪結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 葉片出口角確定

由于爐灶吹風(fēng)機輸送氣流中會有灰塵，采用平板葉片有利于降低其磨損[5]，選擇葉片出口角

2.3 計算葉輪圓周速度u2

2.4 計算葉輪外徑D2

2.5 葉輪入口直徑D0及葉片入口直徑D1確定

2.6 葉輪入口速度c0確定

取0=0.93，計算葉輪入口速度：

2.7 葉片入口寬度b1確定

2.8 葉片入口角度的確定

為了增加風(fēng)機風(fēng)量，采用前向型葉片入口角度。入口角度可由葉片入口前的氣流角度來確定。一般前向型葉片的氣流角度比較大，一般在0.69～1.05rad。但葉片入口角度過大會造成葉道內(nèi)流體損失增加。綜合可選取葉片入口角度：

2.9 葉片數(shù)目Z確定

葉片數(shù)目一般由葉柵密度確定，為使流體在葉片上的摩擦損失達到最小，結(jié)合經(jīng)驗可選取葉片數(shù)目=12。

2.10 計算葉片出口寬度b2確定

3 三維建模及模擬仿真分析

3.1 風(fēng)機三維幾何模型建立

圖2 風(fēng)機三維幾何模型圖

傳統(tǒng)風(fēng)機設(shè)計是以試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)進行的。如果風(fēng)機結(jié)構(gòu)形式和性能指標(biāo)發(fā)生改變，以往的試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式就不能準(zhǔn)確分析新機型的流場[6]。隨著計算機輔助技術(shù)和計算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，依據(jù)以上離心式風(fēng)機的參數(shù)計算結(jié)果在三維設(shè)計軟件中可方便快速地建模出該風(fēng)機虛擬模型。利用Solidworks軟件建立風(fēng)機模型圖如圖2所示。

3.2 風(fēng)機仿真模型建立及數(shù)值模擬分析

將此風(fēng)機模型利用Flow Simulation流體仿真模塊分析此風(fēng)機流速和風(fēng)機壓力[8,9]如下圖3，4所示。

圖3 風(fēng)機流速數(shù)值模擬分析圖

圖4 風(fēng)機壓力的仿真分析圖

從以上模擬分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：葉片在葉輪上的安裝角度對離心風(fēng)機有明顯影響。葉片選用前向型角度的葉片能使壓力沿葉片高度呈C型[10]分布，產(chǎn)生負(fù)壓力梯度，使得流體在葉片端部的流動損失得以減少。出口處氣體流速=44.38m/s，最大風(fēng)壓=1.31×10-3MPa，大于設(shè)計要求的風(fēng)壓1.20×10-3MPa。

4 結(jié)論

本文依據(jù)離心式風(fēng)機風(fēng)壓技術(shù)參數(shù)要求進行葉輪葉片的氣動力計算，葉輪機殼主要尺寸的計算，選取了前向型的風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)。采用三維設(shè)計軟件進行零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配，并利用SolidWorks軟件的Flow Simulation CFD模塊對建好的模型進行流速和風(fēng)壓的流體力學(xué)仿真分析。結(jié)果顯示前向型安裝葉片的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計在不增加離心式風(fēng)機徑向尺寸時可以提高風(fēng)機的風(fēng)壓，最終滿足了設(shè)計設(shè)計要求。

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Design of Centrifugal Blower with Hight Wind Pressure Based on Flow Simulation

Cheng Wei Qu Fukang Xiao Jin Cai Kaiwu

( Department of Mechatronics Engineering, Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou, 511325 )

There is a close connection between the wind pressure and the radial size of the centrifugal blower. It is difficult to design a blower with larger wind pressure when it requires a compact structure. We try to solve this problem by improving impeller shape and the installation angle of blade during this design. The inlet angle, outlet angle and relative dimensions of the blade installation are obtained through aerodynamic calculation, and finally the forward impeller structure is adopted. According to the geometric parameters calculated, the geometric model of the blower is established in the 3D design software of Solidworks. Finally, the wind pressure and flow velocity are simulated and analyzed in the Flow Simulation module of the software. The results show that the forward blade selected meets the design requirements.

centrifugal blower; wind pressure; Flow Simulation; numerical simulation

TH442

B

1671-6612（2019）03-283-04

2016 廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（自然科學(xué)）（2016KQNCX214）

程偉（1982.11-），男，碩士研究生，講師，E-mail：115416107@qq.com

2018-07-19