導流罩的形狀對電機內軸流風機流場的影響研究

陸月星，賈 銘，張 興，章力天，楊 剛，黎和俊，潘柏根，周堂鑫

（安徽省電機產品及零部件質量監督檢驗中心，安徽 宣城242500）

軸流風機在電機行業中主要用于散熱，尤其在變頻電機中，其軸流風機的流道，利用強制對流換熱使電機達到理想散熱效果[1-2]。其中導流罩的形狀會對風機流場特性產生重要影響。導流罩不同形狀對風機出入口的流動情況產生重要影響，進而改變風機的效率和流量等參數，同時會造成流動損失[3-4]。因此，研究不同導流罩的形狀下的軸流風機流場特性對改善風機性能具有重要意義。

1 結構模型

建立的驗證性流道和軸流風機裝配示意圖如圖1所示，研究對象為導流罩的形狀。其中流道長度為434mm，寬度為84mm，高度為424mm，長寬比為5.4，葉頂間隙為4mm。其中風機的設計參數如下：葉片外徑為120mm，輪轂直徑為39mm，葉片數為4。

圖1 幾何模型

2 結果分析

2.1 數值計算方法

為模擬軸流風機在不同導流罩的形狀條件下風機的內部流場，采用四面體網格劃分風機和導流罩部分[5]，采用六面體網格劃分風機出口區域，進口邊界設置在垂直于出口流動方向，出口邊界設置在下游距風機出口1800mm處。流場模型采用穩態計算方法，采用標準k-ε模型進行湍流模擬，進出口邊界條件采用壓力進出口邊界條件，采用SIMPLE算法進行壓力速度耦合，采用一階迎風格式求解三維控制方程，迭代次數為1000次，求解過程中殘差達到10-3量級，且進出口的流量差小于0.1%認為收斂。

2.2 流場分析

2.2.1 導流罩的形狀對風機內部流場影響

以形狀因子Z作為無量綱參數，分析其對風機流場的影響，其中Z=S1/S2，S1為導流罩截面的面積，mm2；S2為風機截面的面積，mm2。

圖2為不同形狀因子Z下軸面內速度分布，在各種不同Z條件下，葉片邊緣部分存在著速度較大的區域，且具有一定的速度梯度。其中當Z為0.59、0.6和0.76時，在導流罩的截面頂點處存在高速區，其范圍較小但速度值相對最大；而當Z為0.77和0.88時，導流罩截面的邊緣速度相對較低。

圖2 不同形狀因子Z下軸面內速度分布

圖3為不同形狀因子Z下風機吸力面內靜壓分布。當Z為0.59、0.76和0.77時，葉頂邊緣存在著低壓區，即葉頂間隙泄漏流區域；而當Z為0.88時，葉頂邊緣亦有低壓區，但其范圍相對較小。當Z為0.6時，風機吸力面上的靜壓相對最大；而當Z為0.59時，風機吸力面上的靜壓相對最小。在不同的Z條件下，風機輪轂面上的靜壓大致相同。

圖3 不同形狀因子Z下風機吸力面內靜壓分布

2.2.2 不同導流罩的形狀下風機性能分析

圖4為不同形狀因子下的風機靜壓、流量和效率的曲線比較。由圖可知，當Z增大時，靜壓減小，流量和效率先減后增，最后降低；當Z為0.59時，靜壓、效率和流量相對最高分別為5.2Pa、61%和112m3/h；當Z為0.88時，靜壓、效率和流量相對最低分別為1.6Pa、27%和89m3/h。

圖4 不同形狀因子下的風機靜壓、流量和效率的曲線比較

圖5為入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較。由圖可知，對于同一個Z值，當距流道入口距離增加時，入口靜壓先增后減，最后上升；入口湍流度先緩慢上升，然后急劇增加。對于相同的距流道入口距離，當Z為0.59時，入口靜壓和入口湍流度相對最大；當Z為0.88時，入口靜壓和入口湍流度相對最小。當距流道入口距離為0.082m且Z為0.59時，入口靜壓最大為3.92Pa；當距流道入口距離為0.246m且Z為0.59時，入口湍流度最大為35%。

圖5 入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較

圖6為出口靜壓和出口湍流度與距導流罩出口端面距離的曲線比較。由圖可知，對于同一個Z值，當距導流罩出口端面距離增加時，出口靜壓一直降低。當Z為0.59和0.6，距導流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先減后增，然后下降；當Z為0.76，距導流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先減后增；當Z為0.77和0.88，距導流罩出口端面距離增加時，出口湍流度先增后減。對于相同的距導流罩出口端面距離，當Z為0.59時，出口湍流度相對最大。當距導流罩出口端面距離為0.072～0.339m，且Z為0.59時，出口湍流度相對最大；當距導流罩出口端面距離為0.428～0.606m，且Z為0.76時，出口湍流度相對最大。對于相同的距導流罩出口端面距離，當Z為0.88時，出口靜壓和出口湍流度總體上相對最小。當距導流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口靜壓最大為4.2Pa；當距導流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口湍流度最大為53%。

圖6 出口靜壓和出口湍流度與距導流罩出口端面距離的曲線比較

3 結論

不同形狀因子Z下軸面內速度分布表明，在各種不同Z條件下，葉片邊緣部分存在著速度較大的區域，且具有一定的速度梯度。由不同形狀因子Z下風機吸力面內靜壓分布可知，當Z為0.6時，風機吸力面上的靜壓相對最大；而當Z為0.59時，風機吸力面上的靜壓相對最小。在不同的Z條件下，風機輪轂面上的靜壓大致相同。由不同形狀因子下的風機靜壓、流量和效率的曲線比較可知，當Z為0.59時，靜壓、效率和流量相對最高分別為5.2Pa、61%和112m3/h。由入口靜壓和入口湍流度與距流道入口距離的曲線比較可得，當距流道入口距離為0.082m且Z為0.59時，入口靜壓最大為3.92Pa；當距流道入口距離為0.246m且Z為0.59時，入口湍流度最大為35%。由出口靜壓和出口湍流度與距導流罩出口端面距離的曲線比較可得到，當距導流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口靜壓最大為4.2Pa；當距導流罩出口端面距離為0.072m且Z為0.59時，出口湍流度最大為53%。