離心通風機性能優化

潘益寧

杭州電子科技大學機械工程學院,浙江 杭州 310018

隨著國內對能源需求的不斷增加，風機在金屬礦山、煤炭工業、鋼鐵工業和電力行業的市場不斷擴大，這也導致風機能耗不斷增長[1]。研究提高風機性能的方法，減少風機用電量對節約能源具有重要意義。近年來，席光等提出了近似模型方法在葉輪機械氣動優化設計中的應用[2]；李景銀等在近似模型方法的基礎上提出了控制離心葉輪流道的相對平均速度優化設計方法[3]；kim,Jin-hyvk[4]進行了分離葉片對風機氣動性能更有益的分析；Polansky,Jirí[5]對前向葉片離心風機進行了氣動性能預測分析；簡曉書等[6]確定了一款小型后向離心風機葉輪葉片出口寬度尺寸。這些研究進一步表明離心風機各部件對整機性能有顯著影響，而不同的風機內部流場規律也不盡相同，當前對于離心內部流場的研究成果通用性不足。本文主要研究一種新型風機VE100內部流場的規律，采用風機進口試驗測試與數值分析結合的方法，進一步闡述風機內部流場的特性，為同系列高效離心通風機設計及制造提供指導。

1 原風機結構及性能分析

圖1 離心通風機VE100示意圖Fig.1 Centrifugal fan VE100

本文采用某公司型號為VE100的離心通風機（圖1）。該離心風機主要由葉輪、蝸殼、電機以及集流器等幾部分組成。現有風機在所需工況流量700 m3/h處，壓力為1780 Pa，效率較低，難以滿足流量且P-Q曲線在工況流量附近壓力值變動較大。因此，對風機性能進行優化，以提高工況流量附近的壓力值。現有風機葉輪的進口尺寸140 mm，葉片的平均進口直徑148 mm，葉輪出口直徑380 mm，厚度29 mm，葉片數目為8，葉片厚度2 mm。

風機的測試結果如表1所示。原風機壓力曲線穩定工作區間較窄，在工況流量700 m3/h處，全壓為1780 Pa，效率較低，且工況點附近壓力值變化明顯，不利于風機的實際工作。因而，需根據工況點附近壓力曲線平穩，工作效率較高的基本要求對已有風機進行性能優化設計。

2 風機性能優化

針對原風機的性能優化過程，以不改變風機原有加工模式為基礎，主要對風機葉輪進行優化。考慮原有風機的效率，主要對風機葉輪葉片進出口角度、葉輪葉片數以及葉片厚度進行結構優化。

根據風機設計以及風機流體損失驗證過程，首先對葉輪厚度進行校核。針對平盤式風機葉輪設計，風機葉輪厚度b1=b2，可以由公式（1）確定：

S1為葉輪進口與風機進口氣流速度比，根據查閱資料[7]推薦確定速度比為1.1，經過計算，葉輪厚度值與實際29 mm相符，因而不改變風機葉輪厚度。進一步針對風機進出口角度進行優化，原有風機葉輪葉片進口角27°，出口角40°。在工況流量Q0為700 m3/h時，根據公式（2）求得氣流在風機各通道的軸線平均速度。

查閱資料確定葉片進口空氣充滿系數k為0.835[8]，由公式（2）估算葉片進口流道軸線平均速度為17.27 m/s，周向速度u1為23.86 m/s，由公式（3）氣流角度β’1為35.89°，在設計葉片進口幾何角時，需要考慮葉片本身厚度及角度對葉片流道的影響，即葉片進口阻塞系數τ1，因而需要在預估氣流角度上加一個沖角i=0～8°，在此初定葉片進口幾何角度β1為36°。根據經驗數值，在此基礎上將葉輪出口數值定為35°，對于葉輪葉片數，可根據Eck公式求出為9片。氣流流入葉片中時，由于阻塞系數τ1，流道面積減小，速度變大，流道入口速度可由公式（5）求出c'1為18.34 m/s，將速度迭代至公式（3）中，可以再次得到葉片進口處氣流角度為37.55°，得出結果和氣體入口幾何角度差值，即氣流沖角較小即可停止迭代，最終確定葉片進口角度β1為38°。由此可以得出葉片的圓弧半徑Rk=308 mm，葉片的中心圓半徑R0=203 mm。

3 風機內部流場分析

首先根據原風機以及優化后的風機分別建立流場模型，通過FLUENT對風機流場進行數值計算以及風機內部流場分析。在進行風機性能分析過程中，可以由風機進口靜壓值代替風機全壓。優化前后風機在工況點的全壓值分別為圖2和圖3所示的1780 Pa和2050 Pa。

圖2 原風機工況點進口靜壓值Fig.2 Static pressures of original fan at operating point entrances

圖3 優化后風機工況點進口靜壓值Fig.3 Static pressures of optimized fan at operating point entrances

3.1 速度對比

如圖4所示分別為優化前后風機內部速度分布圖。首先從速度范圍進行分析，風機優化前在最大速度69.5 m/s大于風機優化后的最大速度66.2 m/s，同樣流量下最大速度值的減小說明優化后風機氣流分布較為均勻。風機葉輪作為風機最為關鍵的部分，風機葉輪的性能很大程度反映了風機的整體性能。對優化前后葉輪速度分布進行分析，可以發現，氣流在葉輪輪蓋入口處產生渦流，在葉輪出口處，尤其是在蝸殼出口相反的一側，產生較為明顯的渦流現象，可以發現氣流的紊亂主要發生在氣流從集流器流道進入葉輪流道的過程；優化后葉輪在進口處氣流低速區域減小，平均速度增大，最大速度減小，整體氣流流動情況較好。

圖4 風機速度分布對比圖Fig.4 Comparison of speed distributions of fans

3.2 壓力對比

圖5 優化前后風機靜壓分布對比圖Fig.5 Comparison of static distributions of fans before and after optimization

如圖5所示，為優化前后離心通風機的靜壓分布。從圖中可以看到由于離心風機是按照進氣試驗過程中的離心風機流場狀態進行仿真，因而在風機出口處氣流和大氣層相同，靜壓為0，而在風機進氣口處，風機的靜壓為負值，該值表明風機優化前后的整體全壓值分別為1780 Pa和2050 Pa左右。優化后風機氣流流場在蝸殼內靜壓值較小，表明對于葉輪出口角度的改造較為有利。葉片數增多較為有效的減小葉輪內二次流現象，使得整體靜壓性能提高。對于葉輪進口角度的改造，有效的減少了氣流在葉輪入口角產生的沖擊損失，提高了工況流量處風機的壓力值。

4 實驗數據對比

圖6 風機進口試驗圖Fig.6 Test at entrance of fan

圖7 優化前后風機P-Q曲線對比Fig.7 Comparison of P-Q curves of fan before and after optimization

根據國家標準GB/T 1236-2000，對優化風機進行如圖6所示進氣試驗測試，得出如表2所示的測試數據。將測試數據與FLUENT數值分析結果進行對比，發現在工況流量處的結果相符。優化后風機效率最高點在工況流量700 m3/h處，且工況流量附近壓力值較為平緩，滿足設計要求。風機整體性能較原風機提高8%左右，在工況流量處壓力值提升15%左右。如圖7所示，為優化前后風機P-Q曲線對比圖。

表2 優化后風機測試數據統計Table 2 Testing data statistics of fan after optimization

5 結 語

本研究針對一種新型風機VE100，提出以進氣試驗與FLUENT仿真相結合的方法來探索其內部流場的規律，結果表明：

（1）平盤式的風機葉輪設計，致使葉輪流道內截面積逐步增加，在葉輪流道出口處極易產生二次流，增大流體損失；此外葉輪出口角度改變對于氣流在蝸殼內流動影響較大；

（2）通過對比優化前后風機的速度矢量圖和靜壓分布矢量圖，可以得出風機進口角度對于風機工況流量影響顯著，主要原因為非工況流量產生較大的沖擊損失，進而得到了風機內部流場的一般規律。