趙 征 ，李 彬 ，，李小輝 ，陳 紅 ，蔡姍姍

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，廣東珠海 519000；2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

離心風機是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)將氣體從軸向吸入葉輪，并進行折轉(zhuǎn)從徑向流出［1-4］。小型離心風機由集流器和葉輪組成，其具有流量系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊和噪聲低等特點，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的各種送風系統(tǒng)中［5-8］。傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計上，高比轉(zhuǎn)速（100～500）風機多為軸流式［9］，然而在特定運行條件下不能選擇軸流風機，如在特定葉輪直徑和轉(zhuǎn)速下需求較高壓升。因此，需要對高比轉(zhuǎn)速離心葉輪展開研究。多位學(xué)者針對高比轉(zhuǎn)速離心葉輪進行了深層次的研究，在葉輪機械領(lǐng)域已有一定的研究成果［10-17］。目前高比轉(zhuǎn)速葉輪的設(shè)計還沒有系統(tǒng)的方法，并且研究較少，開發(fā)高效、低噪聲［18-23］的高比轉(zhuǎn)速離心葉輪是當前亟需解決的一個問題。

本文所涉及的風機用于空氣凈化器送風系統(tǒng)中［24］，該系統(tǒng)具有風量大和阻力較大的特點，由于受結(jié)構(gòu)尺寸限制和系統(tǒng)要求，該空氣凈化器風機的選型為離心風機，因此該離心風機比轉(zhuǎn)速高，且輪徑比達到0.8，導(dǎo)致該葉輪的渦流損失嚴重。優(yōu)化設(shè)計中，為保證系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)，僅對葉輪部分進行優(yōu)化改進。本文主要通過對3種不同葉片數(shù)下的高比轉(zhuǎn)速離心葉輪進行數(shù)值仿真計算和整機試驗，并展開分析單葉輪及整機的性能和噪聲，為高比轉(zhuǎn)速離心風機的葉輪設(shè)計提供參考。

1 研究研究對象及數(shù)值模擬

1.1 研究對象

對空氣凈化器中的離心風機進行研究，葉輪區(qū)域結(jié)構(gòu)總裝如圖1（a）所示，是去除前置濾芯的空氣凈化器結(jié)構(gòu)示意，圖1（b）分別為單葉輪三維結(jié)構(gòu)示意，葉輪葉片數(shù)為7個，設(shè)計工況流量為350 m3/h，最高轉(zhuǎn)速1 400 r/min，表1給出了葉輪的具體參數(shù)。為研究不同葉片數(shù)對高比轉(zhuǎn)速離心通風機性能的影響，采用3種葉片數(shù)進行分析，分別為圖2（a）葉片數(shù)7、圖2（b）葉片數(shù)9和圖2（c）葉片數(shù) 11。

圖1 高比轉(zhuǎn)速葉輪總裝和單葉輪結(jié)構(gòu)示意

表1 離心風機葉輪的幾何參數(shù)

圖2 葉輪葉片結(jié)構(gòu)示意

1.2 數(shù)值模擬

單風機數(shù)值計算模擬采用風洞測試實驗的方案進行建模和仿真計算，建模模型分為進口段、葉輪旋轉(zhuǎn)域和風洞3部分，如圖3（a）所示，對葉輪區(qū)域進行網(wǎng)格加密；如圖3（b）所示，建模和網(wǎng)格劃分時考慮集流器間隙。

圖3 離心風機網(wǎng)格劃分

采用ANSYS CFX對離心風機的三維流場進行求解，通過求解雷諾時均Navier-Stokes方程進行模擬。離心風機的馬赫數(shù)一般小于0.3，故將空氣視為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動，忽略重力和溫度對流場的影響，離心風機流動基本上都是紊流狀態(tài)，湍流模型采用RNGk-ε模型，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC算法，流體類型為25 ℃空氣，進口邊界條件為總壓，數(shù)值0 Pa，出口設(shè)置為流量出口，監(jiān)測葉輪出口壓力。風機模型由葉輪旋轉(zhuǎn)域和風洞靜止域、進口靜止域組成，動靜交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子交界面，設(shè)置如圖4所示。

圖4 計算模型前處理設(shè)置

采用圖3所示的網(wǎng)格劃分方法和圖4所示的設(shè)置方法對單葉輪進行仿真計算，圖5示出了離心風機在設(shè)計工況下的網(wǎng)格無關(guān)性驗證，從550萬～1 200萬網(wǎng)格分別計算了5種網(wǎng)格數(shù)量，并對不同網(wǎng)格數(shù)量下計算得到的出口全壓和效率進行對比，發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格數(shù)量在962萬～1 200萬時其參數(shù)基本穩(wěn)定，因此采用962萬計算網(wǎng)格單元。當網(wǎng)格數(shù)在962萬的單元下，對Y+值進行查看，得到Y(jié)+值為37.3，適合數(shù)值計算時所采用的壁面函數(shù)要求。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為方便試驗測試，節(jié)約開發(fā)周期和開發(fā)成本，不用單獨設(shè)計單風機工裝，因此采用空氣凈化器去濾芯結(jié)構(gòu)進行總裝風量測試，省去的單風機性能測試，采用去濾芯的整機進行性能測試，用來驗證仿真的可靠性。如圖1結(jié)構(gòu)所示，并進行整機結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真計算，對比試驗和仿真數(shù)值計算結(jié)果，見表2，其總壓誤差為2.55%，效率誤差相差2.41%，驗證了數(shù)值計算的可靠性，因此后續(xù)單風機葉片數(shù)優(yōu)化過程中以仿真計算分析為主。

表2 整機去濾芯試驗測試和仿真計算對比

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

本文針對單風機進行優(yōu)化，因此采用圖3中的網(wǎng)格劃分方法和圖4中的設(shè)置方法進行仿真計算，并對結(jié)果進行分析。

2.1 外特性分析

圖6示出了單葉輪分別在葉片數(shù)7，9，11下的外特性曲線。

圖6 不同葉片數(shù)下單葉輪的外特性曲線

從圖中可以看出，高比轉(zhuǎn)速下，隨著葉片數(shù)增多全壓有不同程度增大，在設(shè)計工況下，葉片數(shù)為11的葉輪的壓升最高，較原葉輪（葉片數(shù)7）的壓力提高了13.3%，提升效果明顯，這是由于葉片數(shù)增加增大了葉輪的做功能力。當流量大于設(shè)計工況（350 m3/h）時，葉片數(shù)9較葉片數(shù)7有所增大，但葉片數(shù)11較葉片數(shù)9基本保持不變，說明在大流量工況下時葉片數(shù)大于9其全壓不會再增大，而當流量小于設(shè)計工況（350 m3/h）時，其全壓隨著葉片數(shù)的增多而增大，這是由于：葉片數(shù)較少，即葉柵稠度較小時，每個葉片的負荷較大，氣流在葉片流道內(nèi)易發(fā)生分離，流動損失增大，風機的全壓和效率減小。尤其是靠近前蓋板附近區(qū)域，氣流的徑向速度較小，造成氣流的進氣沖角大，進一步增大葉片負荷，流動極易分離，分離區(qū)尺度從葉片靠近前蓋板到后蓋板處逐漸減小。葉片數(shù)較多，即葉柵稠度較大時，每個葉片的負荷較小，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，但同時由于葉片數(shù)增多，葉片表面積增大，葉片表面的附面層摩擦損失增大，又造成風機效率減小，同時會使葉片流道通流面積減小，流動發(fā)生阻塞，使風機流量降低。葉柵稠度增加，當性能提高不足以抵消摩擦損失造成的性能降低時，風機損失增大，效率和流量減小。因此葉片數(shù)增加對小流量工況更加有利，但不能無限制的增加，過多的葉片數(shù)可能會對大流量工況起到負面影響，因此選擇合理的葉片數(shù)是風機設(shè)計中關(guān)鍵的因素之一。

增多葉片數(shù)不會影響風機高效工況區(qū)域，其高效工況區(qū)域都分布在250～350 m3/h流量區(qū)域之間，但增多葉片數(shù)其效率會有不同程度的提升，額定工況下，其中葉片數(shù)11和葉片9下的效率較原葉輪（葉片數(shù)7）的分別提高了2.5%和2.23%。

2.2 不同葉片數(shù)對風機性能影響的機理分析

針對不同葉片數(shù)下的單葉輪進行流場仿真計算，定義葉高為b，后蓋板到前蓋板的相對位置分布為（0～1）b，分別從前蓋板到后蓋板取3個軸面（0.9b，0.5b和0.1b）對流動進行分析，如圖7所示，圖中白色無流線區(qū)域均為渦流，明顯可以得到靠近前蓋板處（0.9b）的渦流較為嚴重，產(chǎn)生明顯的分離區(qū)，靠近后蓋板（0.1b）和中間截面（0.5b）的流線相對較為均勻，說明高比轉(zhuǎn)速下離心風機靠近前蓋板處的流動較差，本文通過增加葉片數(shù)優(yōu)化其流動，如圖8所示，可以看出隨著葉片數(shù)的增多，其兩葉片之間流道的渦流明顯減少，有效的增加了葉輪靠近前蓋板處的出口流量，進而提高風機效率。

圖7 葉片數(shù)為7時不同葉高處流線

圖8 不同葉片數(shù)0.9b葉高處流線

同時，葉輪內(nèi)部的渦流是產(chǎn)生寬頻噪聲的主要原因，通過優(yōu)化葉輪內(nèi)部流動可以降低寬頻噪聲，圖9示出了葉輪內(nèi)部在不同葉片數(shù)下的渦核特征分布。

圖9 不同葉片數(shù)葉輪域渦核分布特征

靠近前蓋板處的渦核分布面積大，即前蓋板處流動渦流明顯，與流線反映出的現(xiàn)象一致。在葉輪出口處的渦核分布明顯減小，可以得到葉片數(shù)增多對葉輪內(nèi)部流動有一定的改善，尤其是靠近前蓋板的流動改善最為明顯。

3 整機試驗驗證

由于試驗條件和項目開發(fā)周期原因，未進行單葉輪性能和噪聲測試，用優(yōu)化后的葉輪安裝在空氣凈化器整機中進行試驗，整機為安裝濾芯后的空氣凈化器，即在圖1中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上安裝濾芯進行測試，相當于僅對單風機增大了系統(tǒng)阻力，整機系統(tǒng)在350 m3/h的阻力與單葉輪數(shù)值計算的壓力理論上基本接近，空氣凈化器整機最大風量基本在葉輪的設(shè)計工況附近，因此測試整機結(jié)果可以作為單葉輪優(yōu)化結(jié)果的主要參考依據(jù)。

3.1 整機性能試驗

為進行試驗驗證，對葉片數(shù)為11的葉輪進行手板制作，7葉葉輪和11葉手板葉輪如圖10所示，并對帶有濾芯的空氣凈化器整機進行風量試驗測試，試驗結(jié)果見表3。

圖10 不同葉片數(shù)葉輪結(jié)構(gòu)

表3 整機性能試驗數(shù)據(jù)

從試驗結(jié)果可以看出葉片數(shù)增多，其整機風量增加約2.5%，功率微增，與數(shù)值仿真計算結(jié)果的趨勢基本一致。

3.2 整機噪聲試驗

對原機整機和手板（11葉）整機進行噪聲聲功率測試，試驗在半消音室中進行，測試方案按GB/T4 214.1-2017標準進行，測量表面為帶有9個測點的矩形六面體進行，測點布置如圖11所示?；诼晧悍ǖ穆暪β蕼y量，其測試結(jié)果見表4。

圖11 空氣凈化器整機測點布置

表4 整機噪聲試驗數(shù)據(jù)

從表4的測試數(shù)據(jù)可以得到，手板（11葉）的整機聲功率級較原機降低了0.8 dB（A），手板（11葉）的風量較原機增大了2.5%，理論上噪聲總值會隨風量的增大而增大，而手板（11葉）的噪聲總值確有所降低，說明葉輪葉片數(shù)增多對其寬頻噪聲的有所改善，同時噪聲降低也是葉輪內(nèi)部流場改善的一個較為明顯的體現(xiàn)，因此在優(yōu)化改進風機噪聲時，通過減小葉輪內(nèi)部渦流，提高葉輪內(nèi)部流體流通能力，提升葉輪效率，也可以作為降低寬頻噪聲一個參考指標。

4 結(jié)論

（1）針對特高比轉(zhuǎn)速的離心風機，其葉片數(shù)對葉輪內(nèi)部有較大的影響，主要是對靠近前蓋板處的渦流有一定的影響，葉片數(shù)較少時，葉輪內(nèi)部的流動容易產(chǎn)生流體分離，但葉片數(shù)過多時，會使葉片流道通流面積減小，流動發(fā)生阻塞，使風機流量降低，在高比轉(zhuǎn)速下離心葉輪的葉片數(shù)的選擇一般會大于推薦值［9］，合理的葉片數(shù)是風機設(shè)計特別是高比轉(zhuǎn)速下的風機設(shè)計至關(guān)重要；

（2）通過減少葉輪內(nèi)部的渦流可以降低由葉輪內(nèi)部渦流引起的寬頻噪聲，在數(shù)值計算中效率是一個較為關(guān)鍵的參數(shù)，一般針對單葉輪而言，內(nèi)部渦流減少，單葉輪的效率會提高，同時寬頻噪聲會有所降低，對于高比轉(zhuǎn)速的離心葉輪，適當?shù)脑龃笕~片可以降低噪聲，為葉輪的設(shè)計提供一定的參考。