螺杆空压机用多翼离心风机气动性能改进

螺杆空压机用多翼离心风机气动性能改进

吴雷

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：多翼离心风机以其体积小、结构紧凑、大流量系数、高压力系数及低噪声等特点在国民经济建设及人们日常生活中的使用范围与使用量越来越多，如空调、仪器设备的通风散热、厨房吸油烟机等，并在很多特殊使用场合下被公认为是一种最理想的风源设备，与人们的日常生活息息相关。本文通过CFD技术，开展多翼离心风机气动特性研究，在保证安装接口以及散热能力不变的前提下，对各部件关键参数进行优化，改善风机气动性能，降低风量，从而提升整个冷却模块的散热效率。

关键词：多翼离心风机；数值模拟；气动性能；出口均匀性

引言

多翼离心风机因其整体尺寸小、流量系数大和噪声低等优点被广泛应用于吸油烟机和空调等各类通风换气设备中。作为换气系统中重要的动力源，多翼式离心风机也是整个系统主要的噪声源。其中，叶轮是离心风机中的旋转部件，对风机中的能量转换和传递起着重要作用，结构优良的叶轮对整个风机的性能至关重要。

目前国内外学者对叶轮的优化主要以提高风机的性能为目标，对叶轮的主要结构参数如叶片的型线，进出口安装角，进口集流器，蜗舌结构，叶轮与蜗壳的相对安装位置进行改进，每个参数的变化都会对风机的气动性能和噪声特性产生较大的影响。

1计算模型及方法

1.1计算模型及网格划分

多翼离心风机包括集流器、叶轮、蜗壳、扩压器。模型计算域包括进口计算域、叶轮计算域、蜗壳计算域、扩压器及出口计算域，出口计算域做适当延伸。同时保留蜗壳进风口处电机轴，提高计算精度。出口计算域采用六面体网格，其余计算域采用四面体网格，叶轮区域网格适当加密。根据湍流模型近壁面方程的要求，进行网格划分，总网格数约5.3×107。

1.2数值模拟方法

叶轮区域采用旋转坐标系，并给定旋转速度1500r/min，其余采用静止坐标系。各计算域间通过设置Interface插值。设置叶轮所有叶片表面、轮盘表面以及电机轴外表面为旋转壁面，给定相应旋转速度。风机进口采用压力进口边界条件，设置进口总压为0Pa（G），风机出口采用压力出口边界条件，设置出口静压为0Pa（G）。运用MRF方法对风机内部流场做三维近似模拟，控制方程采用Reynolds时均N-S方程，湍流模型采用Realizablek-ε双方程模型，壁面函数采用标准壁面函数（StandardWallFunctions），压力-速度耦合采用SIMPLE分离算法，压力离散格式采用PRESTO!，动量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二阶迎风格式（SecondOrderUpwind）。

2结构参数对风机性能的影响

影响多翼离心风机性能的结构参数很多，如叶片进口安装角、叶片出口安装角、叶轮宽度比、叶轮内外径比、叶轮外径、叶片型线、叶片数、蜗壳型线、蜗舌间距等等。笔者只在转速、叶轮内外径、叶轮宽度不变的情况下，对叶片进口安装角、叶片出口安装角、叶片数、叶片型线、蜗壳型线和蜗舌间距这些影响多翼离心风机性能的结构参数进行数值模拟计算。

2.1叶片进口安装角的影响

由于气流进入叶道时会不可避免的对叶片的压力面造成冲击，同时叶道进口处的吸力面附近由于压力过低，极易使边界层分离并形成漩涡。再者，由于多翼离心风机的非轴对称性，在所有的叶道内都消除这种冲击是不可能的，但是适当的进口安装角β1A能够尽可能的减少这种冲击，因此进口安装角β1A对风机性能有最直接的影响。随着叶片进口安装角β1A的增加，风压的变化不是很明显，而流量却有很显著的变化:β1A=74°时流量最大，这可以解释为由于多翼离心叶轮具有加速的收缩叶道，而且在大轮径比下，进入叶片前的气流有较高的诱导速度，所以即使在进口处有较大的冲角，其气流的冲击损失也远比其它因素引起的损失小。随着β1A的减小，流量急剧降低，70°时的流量比74°时的流量降低了约5%，60°时的流量比74°时的流量降低了约10%，这可能是由于β1A过小而得不到加速叶道的缘故;而84°时的流量与74°时的流量却相差甚微，相比之下，选择小一点的β1A可以减小叶片进口的冲击损失。综上，叶片进口安装角选74°为宜。

2.2叶片出口安装角的影响

对于加速叶道的叶轮，根据现有较先进通风机的统计资料，一般叶片出口角βb2满足:βb2≤26°，即叶片出口安装角β2A满足:β2A≥154°。表3给出了不同出口安装角β2A所对应的计算结果(原型机β2A=170°)。

2.3叶片数的影响

多翼离心叶轮由于轮径比较大(0.8～0.95)，因此叶道很短。叶片数过少，一般会使叶道扩张角过大，容易引起气流边界层分离，气流可能得不到加速;叶片数过多，则会堵塞气流，增加摩擦损失，导致流量、风压大幅度下降，噪声大幅度提高。商景泰通过试验确定得出，在实际工程应用中，多翼离心风机的叶片数Z一般取32到64之间。

3数值计算结果与分析

3.1外特性分析

在额定流量510m3/h下，通过对多翼式离心风机进行三维数值模拟，分析了从141°到169°间的9个叶片出口角风机的性能，可以看出，风机全压效率和全压值均随着叶片出口角的增大而增大，但当叶片出口角增大到167°时，风机全压和效率开始下降。因此为了提高风机的性能，叶片出口角不应过大，对于本文中的风机，出口角不应超过167°。

为进一步研究叶片出口角对风机性能的影响，取141°，154°（原风机）和167°3种叶片出口角的叶轮进行对比分析，可以看出，减小叶片出口角时，在小流量0~420m3/h范围内，离心风机的全压效率比使用原叶轮有所增大，在流量约为290m3/h时有最大提升量约2.05%。当流量大于420m3/h时，离心风机的全压效率与使用原叶片出口角叶轮相比有所下降，且在大流量时降幅明显。相比之下，增大叶片出口角，离心风机的全压效率在大部分流量范围内比原叶轮有所下降，而在流量420~725m3/h范围内高于原风机，这主要是因为叶片出口角过大导致叶轮流道内流动速度提高，从而增大了气体流动的摩擦损失。

3.2流场分析

以原多翼离心风机额定工作流量510m3/h为研究工况，分析不同叶片出口角叶轮中间截面的速度云图，以及蜗壳部分和出口的流线分布，气流从旋转的叶轮流出后沿着蜗壳流道自风机出口流出，叶轮内部流速较低，靠近蜗壳出口的流速较高，在风机出口下部均存在明显的低速区。且随着叶片出口角的增大，该低速区的面积逐渐增大，风机出口的速度不均匀程度提高。且在β2a=167°风机叶轮内部也开始出现新的低速区。

结语

本文建立的多翼离心风机计算模型及计算方法能够有效模拟风机的气动性能，内部流场分析能够作为性能改进的依据。由于安装接口尺寸的限制，本次优化主要通过优化叶片参数及数量，蜗壳型线及蜗舌结构等方面进行。研究结果表明优化后的新风机：

1）获得良好的气动性能。新风机出口流速及均匀性更加均匀，使冷却风得到有效利用。

2）在工况范围内（静压60Pa），新风机风量降低约7%，在满足散热需求下，更有利于润滑油油温的快速建立。

3）均流板的设计对风机出口均匀性改善效果明显，通过调整均流板孔径及布置可以获得最优值。

参考文献

[1]于思琦，吴大转，杨帅.叶片出口角对多翼离心风机性能影响的数值研究[J].流体机械，2019，47(11)：1-7．

[2]李辉，王军，周水清，等.叶片数对多翼离心风机性能影响的分析[J].风机技术，2017，59(2)：19-21，47．

[3]谭建明，李绍斌，刘亚平.不同叶型的多翼式风机性能对比［J］.制冷与空调，2015，15（6）：11-14.