葉輪弧盤及錐盤型線對高比轉速離心通風機性能的影響

王 維，李 軒，盧金玲，羅興锜

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葉輪弧盤及錐盤型線對高比轉速離心通風機性能的影響

王 維，李 軒，盧金玲※，羅興锜

（西安理工大學水利水電學院，西安 710048）

為改善離心通風機的氣動性能，該文以一高比轉速離心通風機為研究對象，結合試驗和全通道數值模擬研究了錐盤及4種不同弧盤葉輪對離心通風機性能的影響，通過對非定常流場及壓力脈動信號的分析得到了前盤型線對高比轉速離心通風機性能的影響機理。研究結果表明，隨著比轉速的增大，葉輪前盤型線對離心通風機效率的影響程度增大，比轉速為73和120時，弧盤葉輪較錐盤葉輪效率分別提高5%和14.5%。高比轉速離心通風機錐盤葉輪在靠近前盤處的流動分離現象過早，并一直延伸至葉輪出口，在無葉擴壓器區域沿軸向出現環流，嚴重阻礙流體流入蝸殼。將錐盤改為弧盤后，葉片負荷和出口氣流角增大，流動分離損失降低，出口壓力脈動幅值降低。對前盤弧線進一步優化后，弧盤葉輪邊界層損失和壓力脈動進一步減小，在設計工況（38 205.63 m3/h）下效率較原弧盤葉輪提升了1%。該研究成果為高比轉速離心通風機葉輪的設計以及內部流動特性的研究提供了參考。

葉輪；計算機仿真；優化；離心通風機；高比轉速；流動特性

0 引 言

離心通風機是工業通風機的一種，廣泛應用于農業、能源、化工、冶煉、造紙以及環保等重要行業[1-3]。在實際工程應用中，如排煙風機[4]，隨著工業生產對流量的需求不斷增大，其比轉速也不斷變大。由于傳統經驗設計上的高比轉速（100～200）通風機多為軸流式[5]，出于場地限制、現場安裝以及成本等因素的考慮，在高比轉速條件下工作的離心通風機整體更換為軸流通風機不符合節能減排的理念。因此，在原有蝸殼不變的前提下，開發高比轉速離心式葉輪更為經濟可行，如黃河鑫業的9臺電解鋁排煙風機均采用高比轉速離心葉輪進行節能改造。開發高效的高比轉速離心葉輪成為工業節能減排的迫切需求。

高比轉速離心葉輪具有流量大、壓升低、葉輪直徑小等特點[6]，近些年，很多國內外學者對高比轉速離心葉輪進行更深層次的研究，在水泵和壓氣機領域已有相應的研究成果和工程應用[7-10]，研究表明采用高比轉速的設計可使設計點落在高效區，同時具有減小葉輪尺寸、降低成本等優勢[11-12]。由于葉輪機械的不同以及流場的復雜性，高比轉速葉輪的設計不一定具有普適性，目前在通風機領域的研究還相對較少，開發高效的高比轉速離心通風機葉輪仍是當前研究的一個熱點。

葉輪作為離心式機械的主要部件，不僅會直接影響機組運行效率，對速度、湍動能、壓力脈動、軸向推力等物理量以及與其他部件的相互匹配也會產生較大的影響[13-16]，目前國內外研究人員針對葉輪幾何結構進行了大量的研究，通過對其進行優化設計進一步提高整機效率。杜建一等[17]通過數值模擬對高比轉速離心壓氣機內部流動特性進行了分析，認為優化葉輪幾何形線有助于減少流動損失，提高壓氣機的效率。孟凡念等[18]基于Kriging模型和GA-PSO算法對離心通風機葉片型線進行氣動優化，優化后風機全壓略有提升，效率從76.3%提高到80.8%。Chen等[19]基于G4-73離心通風機模型，通過改變葉片尾部形狀擴大了風機高效點運行范圍并提高了運行效率。由此可見，對葉輪幾何型線進行優化設計不僅具有實際工程意義，也有較高的學術價值。孫泳鋒等[20]采用數值模擬的方法對多翼式離心風機進行改型，表明改變前蓋板封閉度能夠影響風機性能。Burgmann等[21]通過PIV觀測與數值模擬相結合的方法，通過可變的葉輪后盤來調整后盤與擴壓器之間的寬度，使通風機的效率提升7.1%。此外，Nili-Ahmadabadi等[22]通過改變葉輪出口軸向寬度來改變葉輪面積比，數值研究了葉輪面積比和頂端間隙對性能參數和流場的影響。簡曉書等[23]分析不同葉輪出口寬度對風機性能的影響，發現出口寬度存在一個最佳值可使風機效率最高。由此可見，通過對葉輪輪盤型線以及葉輪出口寬度的優化設計，可改善葉輪內部的流場，進而提高通風機效率。

本文以某高比轉速離心通風機為對象，通過改變葉輪出口寬度設計了4種不同的弧盤葉輪，結合外特性試驗和數值計算，研究不同前盤型線葉輪對氣動性能的影響，以進一步提高高比轉速離心通風機的效率。同時，對葉輪內部流動特性進行分析并解釋其機理，以期為高比轉速離心通風機葉輪的設計提供參考。

1 研究對象及數值模擬

1.1 研究對象

利用Y4-73離心通風機的蝸殼設計了高比轉速葉輪，如圖1a所示。葉輪設計有15個葉片，設計工況流量為38 205.63 m3/h，轉速為1 200 r/min，表1給出了葉輪的主要參數。為了研究不同前盤型線對高比轉速離心通風機性能的影響，采用錐盤型線以及4種弧盤型線設計了5種葉輪，如圖1b所示。其中弧盤型線均采用圓弧曲線設計，弧盤A、B、C、D圓弧半徑分別為120、114、108、102 mm；葉輪出口寬度分別為208.33、202.16、195.28、189.37 mm。

1.進口 2.蝸殼 3.葉片 4.葉輪 5.旋轉軸

表1 葉輪主要幾何尺寸和運行環境條件

1.2 數值模擬

風機計算模型分為進口段、蝸殼和葉輪三部分，全部采用六面體結構化網格處理，各計算域之間通過交界面相互連接，具體網格如圖2所示。為了使數值模擬盡可能貼近真實情況，網格劃分時考慮了葉輪和集流器厚度、集流器與葉輪進口處間隙，并對所有壁面邊界層網格進行加密，滿足壁面函數法要求。

1.進口 2.蝸殼 3.出口 4.簡易防渦圈 5.進口集流器 6.間隙 7.葉輪厚度 8.前盤 9.后盤 10.葉片

采用ANSYS CFX求解離心風機的三維流場，通過求解雷諾時均Navier-Stokes(RANS)方程進行模擬，根據離心風機實際運行情況給定參考壓力、氣體密度及溫度。風機進口來流給定質量流量，出口給定靜壓邊界，固體壁面為無滑移邊界。湍流模型選用標準-模型[18,24]，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC算法。由于風機進出口溫差幾乎無變化，認為風機內部的流動是絕熱的，計算時忽略能量方程。非定常計算以定常結果為初場，時間步長設為4.17×10-4s，即每計算一個時間步長內葉輪旋轉1°，通過所設監測點上變量的周期性波動來判斷計算結果是否收斂。

表2出了離心通風機模型在設計點下的網格無關性驗證結果。從198萬到570萬分別計算了6種網格數量，并對不同網格數量下計算出的全壓系數和效率進行對比，當網格數量從485萬增加到570萬時，全壓系數和效率達到穩定，因此采用計算網格單元數為485萬。

表2 網格數量對離心風機全壓系數和效率的影響

1.3 數值模擬結果驗證

對弧盤A葉輪高比轉速離心通風機進行外特性試驗，性能試驗方法及數據處理參照GB/T1236－2000《工業通風機—用標準化風道進行性能試驗》中的相關規定，試驗裝置采用C型進氣試驗裝置，試驗裝置如圖3所示。

1.閥門 2.流量計 3.進氣管路 4.壓力計 5.蝸殼 6.電機 7.葉輪 8.扭矩儀

利用該試驗裝置對風機性能進行測量，氣體從大氣吸入，經進氣管道、管道內部整流柵等部件流入葉輪內，從葉輪出口流入蝸殼，沿蝸殼通道從蝸殼出口排入大氣。試驗前對試驗設備進行標定，表3為試驗所用儀器及其性能參數。

表3 測試采用的儀器參數

對比弧盤A數值計算結果與試驗結果，如圖4所示。各參數含義如下：

無量綱的流量系數為

式中Q為風機進口體積流量，m3/s；2為葉輪外徑，mm；2為葉輪外徑圓周速度，m/s。

無量綱全壓系數為

無量綱效率為

式中為風機軸功率，kW。

對比可知，試驗效率與數值計算結果較為接近，試驗全壓系數在近設計點附近（=0.29～0.295）和數值計算值之間的誤差最小，而隨著流量遠離設計點，誤差逐漸增大，最大偏差不超過6%。其影響因素主要分為2點：第一點，小流量工況下風機內部流動規律較為復雜，而由于時間和條件的限制，本文所選用的湍流模型不能很好的模擬近失速工況下的流動分離以及流道內微小的渦；第二點，通風機的實際流量是瞬態的，而凍結轉子法忽略了這一點。雖然試驗值和數值計算結果有一定誤差，但全壓系數、效率曲線總體趨勢一致，試驗結果證明了數值計算的可靠性。

圖4 弧盤A試驗值和模擬值風機性能曲線對比

2 計算結果及分析

2.1 外特性對比

圖5給出了錐盤和弧盤A、B、C、D共5種不同葉輪的外特性曲線。

圖5 改型前后離心風機性能曲線

從圖5中可以發現，在高比轉速下，錐盤葉輪的全壓系數和效率較弧盤葉輪降低明顯，尤其在設計工況和大流量工況時變化較大，其中設計工況下與弧盤風機相比全壓系數降低了25%，效率降低了14.5%。與弧盤A相比，弧盤B、C、D全壓略低于A。從效率曲線來看，弧盤D的效率最低；而弧盤B、C的效率高于弧盤A，其中弧盤C的效率在全工況下提升較為明顯，最高效率較弧盤A提升了2.2%，在設計工況提升了1%。

2.2 不同前盤對通風機性能影響的機理分析

圖6給出了葉輪內部相對速度的三維流動分布規律，其中（/=0）為后盤側，（/=1）為前盤側。l/表示葉片上某點沿流線方向相對位置，其范圍為0（葉片頭部）至1（葉片尾部）。從圖中可以看出，葉輪流道內相對速度分布不均勻，受表面邊界層分布影響，靠近葉輪前盤處速度下降明顯，而后盤處變化較為平穩。葉輪進口處速度最大，在葉輪流道中部降低明顯，至出口處緩慢升高。其中錐盤葉輪在靠近前盤處速度急劇下降，其最低值遠小于弧盤葉輪，同時速度波動較大，在流道內的流動較為紊亂。受前盤表面曲率影響，與弧盤A相比，弧盤C速度變化較小。

圖7給出了設計工況下葉高為10%、50%、90%處不同前盤葉片表面靜壓分布系數。定義無量綱靜壓系數ψ為

式中p為風機靜壓，Pa。

對比錐盤和弧盤A可以發現，在90%葉高，錐盤的葉片負荷明顯低于弧盤；在50%和10%葉高，錐盤的葉片負荷略低于弧盤。由此可見，前盤型線的改變引起葉片負荷的變化，這種變化在靠近前盤位置處較為明顯，導致錐盤葉輪的全壓低于弧盤葉輪。對比弧盤A和弧盤C的葉片負荷可知，兩者相差不大，因而風機的全壓幾乎一樣。

圖6 葉輪內部相對速度分布

圖7 不同葉高處葉片表面靜壓分布

由于蝸殼的不對稱性，葉輪與蝸殼耦合后各流道之間流態不完全相同，圖8a將葉輪流道劃分為6個區域，在葉輪90%葉高截面設置6個監測點。圖8b為設計工況90%葉高截面不同流道葉輪出口氣流角的變化特征。從圖8b中可以發現，錐盤葉輪出口氣流角遠小于弧盤，導致葉輪的做功能力降低?；”PA、C出口氣流角周期性變化規律類似，但兩者的出口氣流角大小存在一定差異。

圖9給出了設計工況下不同葉輪90%葉高截面的相對速度分布云圖及流線分布圖。結合圖6可知，葉輪前盤側中部部分附面層和流動分離累積起來向葉輪出口擴散，在前盤與葉片尾緣吸力面處形成尾跡區，在錐盤葉輪中尤為明顯。如圖9a所示，錐盤葉輪葉片吸力面出現較為嚴重的低速區和流動分離現象，在無葉擴壓器區域該分離現象進一步擴大，甚至沿周向出現了環流，阻礙氣體向外排出，導致葉輪出口氣流角較低，進而引起離心通風機全壓和效率的降低。與錐盤葉輪相比，弧盤A葉輪內的流動分離明顯減弱，但仍存在一定的分離渦。將弧盤A進一步優化為弧盤C后，葉輪出口的流動分離幾乎消失，對應的出口氣流角大最大。

在葉輪90%葉高截面出口處設置6個監測點，見圖8a，研究葉輪出口對蝸殼的非定常作用。對遠距離蝸舌點P3、普通流道點P5以及靠近蝸舌點P6進行壓力分析。圖10為3個監測點位置壓力脈動系數波動情況，無量綱壓力系數C的定義為

圖8 葉片出口氣流角隨圓周角變化分布

Fig.8 Distributions of exit flow angles at different circumferential angles

圖9 不同葉輪90%葉高截面相對速度云圖及流線分布

圖10a為一個葉輪轉動周期內，不同離心通風機在監測點P3、P5、P6的壓力脈動隨時間的變化曲線。從圖中可以清晰地看出，葉輪轉動一周產生15個周期性的波峰和波谷；結合圖9可知，由于錐盤葉輪葉片邊界層附近的流體易發生流動分離，致使出口區域流體流動紊亂，產生較強的壓力脈動。圖10b給出了不同監測點的壓力脈動頻域圖。轉輪轉速為1 200 r/min，其轉頻為20 Hz，葉片通過頻率為300 Hz，各點壓力脈動主要以葉片通過頻率為主，二倍、三倍葉頻次之，更高頻率的脈動忽略不計。其中在低頻段出現寬頻分布，在葉片轉頻及倍頻下出現波峰分布，葉輪出口監測點P3、P5、P6，葉片通過頻率下的脈動占了絕大比例。在靠近蝸舌處的P6點，由于蝸舌附近流場較為紊亂，脈動幅值相對P3和P5更大。相比于弧盤葉輪，錐盤葉輪出口處壓力脈動振幅大于弧盤。對比弧盤A和弧盤C可知，優化后的弧盤可使壓力脈動振幅進一步減小。

圖10 監測點位置壓力脈動分布

3 試驗驗證

為了更好地驗證上述數值模擬計算結果的準確性以及進一步對比弧盤與錐盤葉輪的差異，分別對原標準Y4-73離心通風機以及改型后的高比轉速離心通風機進行氣動性能試驗，試驗裝置如圖3所示。

3.1 標準Y4-73離心通風機試驗

為了研究葉輪弧盤與錐盤型線對風機性能的影響，對直徑為1 m的標準Y4-73離心通風機不同前盤葉輪進行外特性試驗。試驗結果如圖11所示。

圖11 Y4-73弧盤與錐盤離心通風機外特性試驗結果

對比標準Y4-73離心通風機弧盤和錐盤的性能可知，弧盤葉輪的全壓和效率均高于錐盤葉輪。在設計工況下，弧盤葉輪的效率較錐盤葉輪的效率提升了5%。對比圖5中高比轉速離心通風機的外特性曲線可知，隨著比轉速的增加，葉輪前盤型線對風機性能的影響程度越來越大。

3.2 高比轉速離心通風機試驗

對圖1b中的葉輪C進行加工并開展外特性試驗，試驗結果如圖12所示。由圖12可知，與Y4-73離心通風機相比，該高比轉速離心通風機的最高效率點向大流量工況偏移?；”PC的全壓系數略低于弧盤A，但效率整體優于弧盤A。

圖12 弧盤A、C葉輪外特性試驗結果

4 結 論

本文主要研究了前盤型線對離心風機性能的影響及機理，主要結論如下：

1）通過試驗研究發現，離心通風機的比轉速為73時，弧盤葉輪效率較錐盤提高5%。隨著比轉速的增大，葉輪前盤型線對離心通風機效率的影響程度增大，比轉速為120時，弧盤葉輪的效率較準盤葉輪提高了14.5%。

2）錐盤葉輪在靠近前盤處，葉輪流道內流動分離現象出現過早，并延伸至葉輪出口，在前盤與葉片尾緣吸力面處形成尾跡區，進而在無葉擴壓器區域沿軸向出現環流，導致出口氣流角較小，葉片負荷較低，使得風機效率低下?；”P葉輪效率明顯優于錐盤，通過對弧盤的進一步優化，使其效率有所提高，在設計工況（38 205.63 m3/h）提高了1%。優化后的弧盤葉輪邊界層損失進一步減小，出口氣流角較大。

3）錐盤葉輪出口處流體流動紊亂，產生較強的壓力脈動，脈動的幅值大于弧盤。優化后弧盤葉輪出口處流動較為穩定，壓力脈動幅值較低。

[1] 丁問司，何祥濱. 吸糧機三級離心風機內部流場的數值模擬[J]. 農業工程學報，2011，27(11)：78－84.

Ding Wensi, He Xiangbin. Numerical simulation of internal flow field in three-stage centrifugal fan of grain sucker[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 78－84. (in Chinese with English abstract)

[2] 王立軍，蔣亦元，王業成. 割前脫聯合收獲機吸運風機降耗[J]. 農業工程學報，2010，26(7)：87－90.

Wang Lijun, Jiang Yiyuan, Wang Yecheng. Decreasing power consume of fan in combine harvester threshing prior to cutting with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 87－90. (in Chinese with English abstract)

[3] 解福祥，區穎剛，劉慶庭，等. 甘蔗收獲機排雜風機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(增刊1)：8－14.

Xie Fuxiang, Ou Yinggang, Liu Qingting, et al. Design and experiment of impurity discharging fan of sugarcane harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 8－14. (in Chinese with English abstract)

[4] 李寶聚，楊紅，張金國. 排煙系統的特點及排煙風機的選擇[J]. 暖通空調，2014(10)：8－12，17.

Li Baoju, Yang Hong, Zhang Jinguo. Characteristics of smoke exhaust system and selection of exhaust fans[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2014(10): 8－12,17. (in Chinese with English abstract)

[5] 成心德. 離心通風機[M]: 北京：化學工業出版社，2007.

[6] 龐海宇，沈炳耘，李嵩. 特高比轉速離心風機氣動設計和性能優化[J]. 風機技術，2011(4)：3－6.

Pang Haiyu, Shen Bingyun, Li Song. Aerodynamic design and performance optimization for a centrifugal fan with very high specific speed[J]. Fan Technology, 2011(4): 3－6. (in Chinese with English abstract)

[7] Tamaki H. Study on flow fields in high specific speed centrifugal compressor with unpinched vaneless diffuser[J]. Journal of Mechanical Science & Technology, 2013, 27(6): 1627－1633.

[8] 趙萬勇，王磊，趙爽，等. 基于CFD的中高比轉速離心泵葉輪的設計方法[J]. 蘭州理工大學學報，2013，39(2)：35－38

Zhao Wanyong, Wang Lei, Zhao Shuang, et al. CFD-based impeller design method of medium-high specific speed centrifugal pump[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2013，39(2)：35－38.

[9] 張瑤，羅先武，丁華，等. 基于BVF流場診斷的高比轉速離心泵葉輪優化[J]. 工程熱物理學報，2010，31(5)：765－768.

Zhao Yao, Luo Xianwu, Ding Hua, et al. Design optimization of the impeller for a high specific speed pump based on BVF diagnosis[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2010，31(5)：765－768.

[10] Shibata T, Yagi M, Nishida H, et al. Effect of impeller blade loading on compressor stage performance in a high specific speed range[J]. Journal of Turbomachinery, 2012, 134 (4): 1757－1768.

[11] 李雪松，杜建一，祁志國，等. 兩個高比轉速離心壓氣機模型級的設計分析[J]. 流體機械，2005，33(5)：13－16.

Li Xuesong, Du Jianyi, Qi Zhiguo, et al. Analysis on two model stages of high specific speed centrifugal compressor[J]. Fluid Machinery, 2005, 33(5): 13－16. (in Chinese with English abstract)

[12] Rodgers C. High specific speed, high inducer tip mach number, centrifugal compressor[R]. ASME Turbo Expo 2003, GT2003-38949.

[13] Sch?nwald S, Kameier F, B?hle M. Influence of the casing width and the impeller position on centrifugal fan performance: A CFD-Based Study on Cause and Effect[C]// ASME Turbo Expo 2014:Turbine Technical Conference and Exposition,2014: 25319.

[14] Seralathan S, Chowdhury D G R. Modification of centrifugal impeller and effect of impeller extended shrouds on centrifugal compressor performance[J]. Procedia Engineering, 2013, 64(2): 1119－1128.

[15] 邵冬，孫志剛，譚春青，等. 閉式葉輪輪蓋空腔流場的數值研究[J]. 推進技術，2017，38(6)：1241－1248.

Shao Dong, Sun Zhigang, Tan Chunqing, et al. Numerical investigation on flow field of impeller front-side cavity for shrouded impeller[J]. Journal of Propulsion Technology, 2017, 38(6): 1241－1248. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhang J, Chu W, Wu Y, et al. Numerical investigation of pressure fluctuation on the volute of a backward curved blade centrifugal fan[R]. ASME Turbo Expo 2014, GT2014-25707.

[17] 杜建一，祁志國，湯華，等. 高比轉速離心壓氣機葉輪的設計及其三維流場分析[J]. 工程熱物理學報，2005(3)：420－422.

Du Jianyi, Qi Zhiguo, Tang Hua, et al. Design and analysis of high specific speed centrifugal compressor impellers[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005(3): 420－422. (in Chinese with English abstract)

[18] 孟凡念，謝貴重，王良文，等. 基于Kriging模型和GA-PSO聯立算法的離心通風機葉型優化[J]. 機械設計，2018，35(4)：84－91.

Meng Fannian, Xie Guizhong, Wang Liangwen, et al. Optimization of centrifugal fan blade profile based on Kriging model and GA-PSO simultaneous algorithm[J].Journal of Machine Design, 2018, 35(4): 84－91. (in Chinese with English abstract)

[19] Chen G, Xu W, Zhao J, et al. Energy-saving performance of flap-adjustment-based centrifugal fan[J]. Energies, 2018, 11(1): 162.

[20] 孫泳鋒，趙軍，高杰，等. 不同前盤結構形式多翼離心風機性能對比研究[J]. 流體機械，2014(1)：30－35.

Sun Yongfeng, Zhao Jun, Gao Jie, et al. Performance optimization of front-plate in multi-blade centrifugal fan based on fluent[J]. Fluid Machinery, 2014(1): 30－35. (in Chinese with English abstract)

[21] Burgmann S, Fischer T, Rudersdorf M, et al. Development of a centrifugal fan with increased part-load efficiency for fuel cell applications[J]. Renewable Energy, 2017(9): 116.

[22] Nili-Ahmadabadi M, Hajilouy-Benisi A, Durali M, et al. Experimental and numerical investigation of a centrifugal compressor and numerical study of the area ratio and tip clearance effects on the performance characteristic[C]// ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, sea and Air, Berlin, 2008:50969.

[23] 簡曉書，陳強，賽慶毅，等. 小型后向離心風機葉輪葉片出口寬度對性能的試驗分析[J]. 風機技術，2017，59(5)：71－76.

Jian Xiaoshu, Chen Qiang, Sai Qingyi, et al. Effect of the blade outlet width on the performance of small high speed backward curved centrifugal fans[J]. Fan Technology, 2017, 59(5): 71－76. (in Chinese with English abstract)

[24] Madhwesh N, Karanth K V, Sharma N Y. Investigations into the flow behavior in a non-parallel shrouded diffuser of a centrifugal fan for augmented performance[J]. Journal of Fluids Engineering, 2018, 140(8): 081103.

Effect of arc and taper plate impellers on performance of high specific speed centrifugal fan

Wang Wei, Li Xuan, Lu Jinling※, Luo Xingqi

(,710048,)

Centrifugal fans are widely used in agriculture, energy, chemical, smelting, papermaking, and environmental protection industries. With the development of our society and the widespread use of centrifugal fans, the high demands on performance of centrifugal fans are expected. Raising the efficiency of centrifugal fan isextremely important for energy saving and emission reduction, which is conducive to promoting the construction of a resource-saving and environment-friendly society.In practical engineering applications, such as exhaust fans, the specific speed becomes higher with the higher requirement of mass flow. Due to traditional experiences in design, high specific speed (100 - 200) fans are mostly designed as axial flow type. If centrifugal fans are replaced with axial fans, it does not conform to the concept of energy conservation and emission reduction in consideration of site constraints, on-site installation and cost. Therefore, it is more economical and feasible to replace the centrifugal impeller without changing the original volute.The high specific speed centrifugal impeller is characterized as large flow, low pressure rise and small impeller diameter. With the much effort by scholars, the high specific speed centrifugal impeller has been applied in the fields of pump and compressor in recent years. The design of high specific speed can make the impeller operate in the high-efficient area. Meanwhile, it has the advantages of reducing the size of impeller and cost. The centrifugal fans are mechanically different from pumps and compressors, and the flow field is extremely complex. The design methodology of high specific speed centrifugal compressor may not be suitable for centrifugal fan. The development of high specific speed centrifugal fan impeller is still in active demand. To our best knowledge, little effort is made on the research of high specific speed centrifugal fan. Therefore, in this paper, we used a high specific speed centrifugal fan with a specific speed of 120 as the research object. Compared with the original front taper plate of impeller, four kinds of impeller with different front arc plates were designed by reducing the outlet width. Through experimental verification and numerical simulation, the effects of different front plate impellers on the high specific speed centrifugal fan performance were analyzed experimentally and numerically. The mechanisms of efficiency enhancement were also studied. For the full-annulus three-dimensional simulation of the high specific speed centrifugal fan, the standard-turbulence model was used. The calculation domain contained inlet pipe, impeller, volute and outlet pipe. All domains were equipped with hexahedral structured grids. The results of numerical simulation were in agreement with the experiment, which confirmed that the numerical simulation model and the calculation methods could be used to predict the internal-flow in the high specific speed centrifugal fan. The results showed that the maximum efficiency point of the high specific speed impeller was offset to large flow condition. With the enhancement of the specific speed, the influence of impeller shrouds was increased. When the specific speed was 73 and 120, the efficiency of front arc plate impeller was increased by 5% and 14.5%, respectively compared with front taper plate impeller. The pressure gradient of high specific speed centrifugal fan front taper plate impeller near the shroud is irregular. At the same time, the flow separation occurs prematurely and extends to flow channels, these produced a large number of passage vortex in the flow channel. As the flow separation further extended to exports, the fluid circulations seriously prevented the fluid from flowing into the volute. The optimized front arc plate impeller exit flow angles were increased. Moreover, the amplitude of pressure fluctuation at impeller outlet and turbulence kinetic energy was reduced. The better front arc plate impeller can further reduce boundary layer loss and improve operation stability, so that the efficiency was improved by 1% under the design condition. The conclusion in this paper had reference value for the design and study of internal flow in the impeller of centrifugal fan with high specific speed.

impellers; computer simulation; optimization; centrifugal fan; high specific speed; internal of flow field characteristics

王 維，李 軒，盧金玲，羅興锜. 葉輪弧盤及錐盤型線對高比轉速離心通風機性能的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(24)：52－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.007 http://www.tcsae.org

Wang Wei, Li Xuan, Lu Jinling, Luo Xingqi. Effect of arc and taper plate impellers on performance of high specific speed centrifugal fan[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 52－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.007 http://www.tcsae.org

2018-07-03

2018-11-19

國家自然科學基金重點項目（51339005）；陜西省自然科學基金（2018JQ5152）

王 維，講師，博士，主要從事葉輪機械氣動熱力學方面研究。Email：alexnwpu@163.com

盧金玲，副教授，博士，主要從事流體機械內部流動數值分析、試驗測試與優化設計研究。Email：jinling_lu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.007

TH432

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1002-6819(2018)-24-0052-08