羅偉樂， 覃萬翔， 劉陽明， 劉愛瑜

(廣東順威精密塑料股份有限公司， 廣東 順德 528305)

隨著人們生活水平的提高，對離心風機噪聲的要求日益苛刻。氣動音質(zhì)，即氣動噪聲的品質(zhì)，作為衡量離心風機氣動噪聲特性的一個重要參數(shù)[1]，直接影響人們對離心風機噪聲大小的主觀感受。由于傳統(tǒng)離心風機進氣方式的特點，葉片軸向進氣不均勻分布[2]成為制約離心風機氣動音質(zhì)進一步改善的主要技術(shù)障礙。

國內(nèi)外學者針對離心風機軸向進氣不均勻分布問題展開了大量研究。劉路等[3]指出流場的軸向不均勻分布對離心風機氣動性能有重要的影響；宮武旗等[4]采用粒子圖像速度儀對離心風機內(nèi)部流動狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)靠近風機進氣側(cè)的葉片進口處存在流動分離現(xiàn)象，葉片出口處有明顯的回流；Ye等[5]采用葉片進口斜角切割設(shè)計來調(diào)整葉片進氣結(jié)構(gòu)，適應(yīng)流場的軸向不均勻分布，從而減少流動阻力和降低沖擊損失；曲昊等[6]通過調(diào)整橢圓型集流器的設(shè)計參數(shù)，使氣流在離心風機的進口前段建立起均勻的速度場，減少葉片與集流器間隙的擾流，改善了離心風機軸向不均勻分布。上述研究主要從葉片型線和集流器設(shè)計的角度改善風機流場，而采用旋轉(zhuǎn)導葉方式改善流場軸向不均勻分布的報道較少。

課題組利用機械旋轉(zhuǎn)運動使流體質(zhì)點跟隨旋轉(zhuǎn)的特點[7]，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)導葉均勻葉片軸向進氣的離心風機，并通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)和旋轉(zhuǎn)導葉型線進一步均勻葉片軸向進氣，改善離心風機的氣動音質(zhì)。

為了研究旋轉(zhuǎn)導葉對離心風機氣動音質(zhì)的影響，首先需要分析帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場分布。課題組基于數(shù)值計算方法，采用多重參考系MRF，實現(xiàn)帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場仿真，分析了旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)和旋轉(zhuǎn)導葉型線對離心風機流場的影響，為帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機實驗研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學模型

1.1 離心風機模型

圖1所示為帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機整體模型，其中旋轉(zhuǎn)導葉和離心風機設(shè)計成一體。

圖1 帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機整體模型Figure 1 Integral model of centrifugal fan with rotating guide vane

如圖1所示，整個模型由帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機和蝸殼組成。每個旋轉(zhuǎn)導葉的型線由2段圓弧構(gòu)成，其中第1段圓弧凸面與旋轉(zhuǎn)方向相同，第2段圓弧凸面與旋轉(zhuǎn)方向相反，且點A為2段圓弧的相切拐點，如圖1(b)所示。為了方便描述，課題組取該型線為反S形型線。仿真計算模型主要包括進口段區(qū)域、出口段區(qū)域及風輪與蝸殼區(qū)域，具體如圖1(c)所示。

1.2 邊界條件

進出口邊界條件分別采用Pressure-inlet和Pressure-outlet[8]，其中進口總壓取0 Pa，出口靜壓取0 Pa，流體流動方向均為垂直進出口邊界方向。采用MRF模型實現(xiàn)動-靜界面間的數(shù)據(jù)傳遞[9]，離心風機轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，壁面條件為無滑移邊界條件。由于旋轉(zhuǎn)導葉與離心風機設(shè)計成一體，因此旋轉(zhuǎn)導葉的轉(zhuǎn)速與離心風機轉(zhuǎn)速一致。

1.3 計算方法

由于離心風機內(nèi)部存在流體由軸向向徑向運動的轉(zhuǎn)變，離心風機對流體做功，以及流體在蝸殼內(nèi)擴壓作用，流體的時均應(yīng)變率較大。為了使流動更加符合湍流的物理定律并且不至于大量消耗CPU內(nèi)存，采用Realizableκ-ε雙方程模型計算流體的時均速度[10]。壓力與速度耦合方式采用SIMPLE算法，其余項采用二階迎風格式完成穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算。

由于此離心風機壓升不大，把進入離心風機的流體處理為不可壓縮的空氣，空氣密度取1.225 kg/m3。

2 結(jié)果與分析

為了研究旋轉(zhuǎn)導葉對離心風機流場分布的影響，分別在風輪12%，48%和91%葉高的位置作回轉(zhuǎn)截面的速度云圖進行研究，其中風輪12%，48%和91%葉高分別對應(yīng)風輪輪盤側(cè)、風輪中部和風輪進氣側(cè)附近區(qū)域。

2.1 旋轉(zhuǎn)導葉對離心風機氣動性能的影響

2.1.1 流場

圖2所示為離心風機風輪12%，48%和91%葉高不帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場的速度分布，計算得到離心風機的流量為630 m3/h。圖3所示為旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z=10時的離心風機流場的速度分布，該計算得到風機的流量為647 m3/h。

由圖2可知，不帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布存在明顯的差異，風輪12%和48%葉高處的氣流流出蝸殼后流速衰減得較慢，而風輪91%葉高處的氣流流出蝸殼后流速衰減得很快。這是由于離心風機進氣側(cè)和輪盤側(cè)存在氣壓差，造成氣流由風機進氣側(cè)偏向風機輪盤側(cè)。

圖3 z=10時帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場的速度分布Figure 3 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with rotating guide vane at z=10

由圖2可知，風輪48%葉高處的流場優(yōu)于風輪12%葉高處的流場。這是由于該離心風機靠近輪盤側(cè)預留了電機位置，造成輪盤側(cè)離心風機葉輪進氣受阻。

從圖3可以看出，添加旋轉(zhuǎn)導葉后離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布差異明顯減小，即旋轉(zhuǎn)導葉一定程度上均勻了離心風機流場的速度分布，為離心風機氣動音質(zhì)的改善創(chuàng)造了有利條件。

2.1.2 全壓效率

為了進一步探索旋轉(zhuǎn)導葉對離心風機氣動性能的影響，采用定流量計算離心風機出口壓力數(shù)值的方法[11]，計算得到旋轉(zhuǎn)導葉添加前后離心風機全壓效率隨流量的變化曲線如圖4所示。其中，全壓效率

式中：P為風機出口全壓，Pa；Q為風機的流量，m3/h；N為風機的軸功率，W。

圖4 旋轉(zhuǎn)導葉添加前后離心風機全壓效率隨流量的變化曲線Figure 4 Variation curve of full pressure efficiency with flow rate of centrifugal fan with and without rotating guide vane

由圖4可知，旋轉(zhuǎn)導葉添加前后離心風機的η-Q曲線總體趨勢一致，但添加旋轉(zhuǎn)導葉后離心風機的全壓效率有所提升。這是由于旋轉(zhuǎn)導葉旋轉(zhuǎn)做功使得輪盤區(qū)域的總能量提高，離心風機進氣側(cè)和輪盤側(cè)的壓差減少，離心風機進氣側(cè)的流量增加，輪盤側(cè)的流量減少，造成進氣側(cè)氣流正沖角減小，輪盤側(cè)氣流負沖角的絕對值減小。其最終結(jié)果是減少了氣流在離心風機內(nèi)的沖擊和分離，改善了氣流在離心風機內(nèi)的流場分布，提高了葉輪的做功能力。

2.2 旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)對離心風機流場的影響

取旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z=6，8，10和12，在旋轉(zhuǎn)導葉型線采用反S形型線，進行旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)對離心風機流場分布的仿真計算，其仿真結(jié)果如圖5～8所示。

圖6 z=8時帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場的速度分布Figure 6 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with rotating guide vane at z=8

圖7 z=10時帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場的速度分布Figure 7 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with rotating guide vane at z=10

圖8 z=12時帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機流場的速度分布Figure 8 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with rotating guide vane at z=12

從圖5～8可以看出：旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z=6時，離心風機受旋轉(zhuǎn)導葉作用的影響最小，離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布仍然存在較為明顯的差異；當旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z>8時，離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布差異明顯減小，這種差異越小，葉片軸向進氣速度越為均勻，離心風機氣動音質(zhì)被改善的機率越大；當旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z>10時，離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布并沒有隨著旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)的增加而繼續(xù)優(yōu)化，表明單靠增加旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)改善離心風機氣動音質(zhì)的方法存在一個極限值。

表1所示為不同旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)時離心風機流量和功率的仿真數(shù)據(jù)。從表1可以看出，當旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z>8時，隨著旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)的增加，同轉(zhuǎn)速下離心風機的流量有減小的趨勢，軸功率基本不變。這是由于：一方面，旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)的增加，有利于減少氣流在離心風機內(nèi)的沖擊和分離，改善氣動音質(zhì)；另一方面，隨著旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)的增加，氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)導葉時產(chǎn)生的摩擦損失增大，氣流進入風輪葉道時總能量則越小，一定程度下降低了離心風機的做功效率。

表1 不同旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)時離心風機流量和功率仿真數(shù)據(jù)

綜上所述，一定條件下，存在最佳的旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)使得離心風機流場的速度分布較為均勻時，做功效率最高。此計算條件下最佳旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)在z=10附近。

2.3 旋轉(zhuǎn)導葉型線對離心風機流場的影響

選取旋轉(zhuǎn)導葉的型線為正S形和反S形，如圖9所示。其中，正S形型線定義為：第1段圓弧凸面與旋轉(zhuǎn)方向相反，第2段圓弧凸面與旋轉(zhuǎn)方向相同，且點A為兩段圓弧的相切拐點。

圖9 正S形和反S形旋轉(zhuǎn)導葉風輪處相對速度流場分布Figure 9 Distribution of relative velocity field of rotating guide vanes with normal S-shaped and inverse S-shaped profiles in impeller region

在旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z=10時，進行旋轉(zhuǎn)導葉型線對離心風機流場分布的仿真計算，其仿真計算結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 z=10時旋轉(zhuǎn)導葉型線為正S形時離心風機流場的速度分布Figure 10 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with normal S-shaped rotating guide vane profile at z=10

圖11 z=10時旋轉(zhuǎn)導葉型線為反S形時離心風機流場的速度分布Figure 11 Velocity distribution of flow field in centrifugal fan with inverse S-shaped rotating guide vane profile at z=10

由圖10可知，旋轉(zhuǎn)導葉型線為正S形時，離心風機不同風輪葉高處流場的速度分布各異。雖然離心風機輪盤側(cè)的流量減小，進氣側(cè)的流量增大，但是蝸殼出口外流道的最大流量位置從輪盤側(cè)到進氣側(cè)發(fā)生偏移，表明葉片軸向進氣速度變化較大。其原因可能是離心風機內(nèi)的流體質(zhì)點不適應(yīng)正S形旋轉(zhuǎn)導葉的運動而產(chǎn)生漩渦脫落，造成離心風機內(nèi)流場的波動。

而旋轉(zhuǎn)導葉型線為反S形時，如圖11所示，離心風機流場速度分布則不存在蝸殼出口外流道最大流量位置從輪盤側(cè)到進氣側(cè)偏移現(xiàn)象。

由此可見，旋轉(zhuǎn)導葉型線為反S形時更有利于離心風機氣動音質(zhì)的改善。

3 工程應(yīng)用實例

表2所示為國內(nèi)某品牌新風機送風性能實測數(shù)據(jù)，其中方案Ⅰ和方案Ⅱ所采用的離心風機葉型參數(shù)完全一樣，唯一不同的是方案Ⅱ添加了反S形旋轉(zhuǎn)導葉，且方案Ⅱ的旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)z=10。圖12所示為表2中L檔對應(yīng)的頻譜圖。

表2 某品牌新風機送風性能實測數(shù)據(jù)

從表2分析發(fā)現(xiàn)，同轉(zhuǎn)速下，與方案Ⅰ相比，方案Ⅱ的風量稍有提高，且方案Ⅱ的噪聲值有所減小。即采用本設(shè)計離心風機后，新風機在其氣動性能不降低的前提下噪聲值有所減小。

圖12 某品牌新風機送風狀態(tài)下L檔的頻譜圖Figure 12 Frequency spectrum of L-band under air supply condition of brand fresh air fan

比較圖12中的方案Ⅰ和方案Ⅱ，采用本設(shè)計離心風機后，新風機送風狀態(tài)下L檔時頻譜的最高峰值降低到20 dB(A)以下，且在1 kHz以下主要頻率點的峰值均有不同程度的降低，即新風機的氣動音質(zhì)有所優(yōu)化。

這是由于添加旋轉(zhuǎn)導葉后，葉輪進氣得到了優(yōu)化，后續(xù)的葉輪、蝸殼和箱體流道也得到相應(yīng)的優(yōu)化，使得新風機整機流道內(nèi)的渦流損失減少，其相應(yīng)的由氣體流動本身產(chǎn)生的湍流噪聲也減少。由能量守恒的觀點，離心風機運動過程中產(chǎn)生的湍流噪聲能減少，轉(zhuǎn)化為流體的有用能則相應(yīng)增多。因此，采用本設(shè)計離心風機后，新風機的風量稍有提高。

上述工程應(yīng)用結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)論

軸向不均勻的進氣分布是影響離心風機氣動音質(zhì)的主要因素之一。國內(nèi)外學者主要從葉片型線和集流器設(shè)計的角度優(yōu)化離心風葉軸向進氣的不均勻分布。考慮到離心風葉進氣不均勻分布可能是由于壓力不均勻性引起的，課題組設(shè)計了一種帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機，并研究了旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)和旋轉(zhuǎn)導葉型線對離心風機流場的影響，研究結(jié)果表明：

1) 旋轉(zhuǎn)導葉能有效地均勻離心風機流場的速度分布，為離心風機氣動音質(zhì)的改善創(chuàng)造有利條件；

2) 在其他條件不變的情況下存在最佳的旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)，使得離心風機流場的速度分布較為均勻時，做功效率最高。文中假設(shè)條件下的最佳旋轉(zhuǎn)導葉數(shù)在z=10附近；

3) 旋轉(zhuǎn)導葉型線為反S形時離心風機速度場分布的均勻性明顯優(yōu)于正S形型線，即反S形型線更有利于離心風機氣動音質(zhì)的改善；

4) 添加旋轉(zhuǎn)導葉后實測結(jié)果證明，離心風機的氣動音質(zhì)得到了優(yōu)化。實測結(jié)果驗證旋轉(zhuǎn)導葉對于解決同類型產(chǎn)品氣動音質(zhì)問題具有參考價值。

由于時間所限，課題組并沒有對帶旋轉(zhuǎn)導葉的離心風機進一步深入研究，后續(xù)可從旋轉(zhuǎn)導葉高度、旋轉(zhuǎn)導葉的具體型線參數(shù)、旋轉(zhuǎn)導葉型線與離心風葉型線的配合參數(shù)等方面繼續(xù)對帶旋轉(zhuǎn)導葉離心風機的氣動音質(zhì)進行優(yōu)化。