离心风机蜗壳型线设计方法探讨

宋宝军, 谢文霞

(陕西清水川能源股份有限公司，陕西 榆林 719400)

离心风机蜗壳型线设计方法探讨

宋宝军, 谢文霞

(陕西清水川能源股份有限公司，陕西 榆林 719400)

对传统和新理论蜗壳型线设计方法进行分析，总结出各设计方法的优缺点。提出考虑曲率对湍流结构的影响，引入流量修正系数为主线设计蜗壳型线，以提高风机性能。

离心风机；蜗壳型线；设计方法

0 引 言

离心风机蜗壳的任务是将离开叶轮的气体导向蜗壳出口，并将气体的一部分动能转变为静压，同时伴有气体能量的损耗[1]。如何能在满足离心风机对风量、风压要求的同时，最大限度地降低能耗，控制噪声是风机设计中蜗壳与叶轮适配问题的重要课题。蜗壳作为离心风机的关键部件，其结构是复杂的空间曲面体。理论上，蜗壳型线是对数螺旋线；但由于其型线难于手工绘制，在生产中通常用简化的模型来近似。蜗壳型线的绘制不仅直接关系到蜗壳内的流动损失，还对叶轮的气动性能有反影响[2]。

1 传统设计方法

在实际工程中大多采用基于一元流动假设的传统设计方法设计蜗壳型线[3-5]，传统方法以风机的气动性能为主要考虑对象，在一定程度上需要依赖设计者的经验。

1.1 结构方形法

在叶轮的中央作正方形，它的边长a=A/4。然后分别以正方形四个角的顶点为中心，从P点开始(P点如图1所示)，依次以Rd、Rc、Rb和Ra为半径画圆弧，便获得所需的螺旋线:

式中：

(1)

用此法绘制的型线与对数螺旋线有一定差距。通风机的比转速越高误差越大。

为了使结构方形法绘制的蜗壳型线近似为对数螺旋线，对于尺寸较大和相对较小的蜗壳型线，可令，φ=2π，分别按下面公式(2)和公式(3)计算其张开度A。

Aφ=R2(emφ-1)。

(2)

(3)

图1 结构方形法示意图

1.2 不等距方形法

在实际工程中大多采用不等距方形法绘制蜗壳型线。此时，也可按公式(2)或公式(3)计算张开度Aφ。

四个小正方形的边长分别为：

(4)

分别以4个角顶点为圆心，以下列值为半径作圆即可得到如图2所示的蜗壳型线。

(5)

图2 不等距方形法示意图

2 新理论设计方法

传统方法所设计的蜗壳型线，与蜗壳内的实际流动状态不符[6]，研究蜗壳内流场的实际分布状态[7-13]，有利于蜗壳型线设计方法的改进。蜗壳型线的二维设计理论[14-16]和变螺旋角设计理论[17-19]的提出，使蜗壳型线能够按照蜗壳进口圆周上流动参数的实际分布情况来进行设计，改善了蜗壳中气体流动状况，减少了损失，提高了风机整体性能。

2.1 变螺旋角设计理论

螺旋角自αt至α2π的变化规律，可用下列多项式表示：

αφ=a+bφ+cφ2+dφ3。

(6)

径向坐标为：

Rφ=(R2+t)e(φ-φt)tgαφ。

(7)

式中：t为蜗舌间隙，m；φt为蜗舌处位置角，rad。

公式(6)的具体形式可按下述步骤用数值似合法求出：

经数值似合得到式(6)中的系数a、b、c、d，然后按式(6)和(7)逐一求解任意位置角φ处的蜗壳型线的Rφ。

2.2 蜗壳型线的二维设计理论

在总结蜗壳型线一维设计方法优缺点的基础上提出了蜗壳型线的二维设计理论。为了便于分析和计算，做出了以下假设：流动是二维稳定流动，工质为符合p/ρ=RT关系式的完全气体，忽略气体粘性但引入熵的计算以考虑损失的累积影响。

在蜗壳r-θ平面(θ为角坐标)上取与半径r重合的准正交线q，建立沿q的速度梯度方程：

(8)

流量守恒方程：

(9)

式中：V为速度，m/s；ρ为密度，kg/m3；rc为流线曲率半径，m；m′为流线；s为熵，kJ/kg；h0为总焓，kJ/kg；α′为速度V与圆周方向的夹角，rad； q4为蜗壳进口截面准正交线；qvp为蜗壳型线准正交线。

蜗壳进口圆周上流动参数的分布形式为已知，由于不同参数之间存在确定的关系，当其中1个参数的分布给定之后，其它参数的分布也随之而定。比如通过给出蜗壳进口圆周上气流方向角的分布，进而计算出其它参数的分布。

根据蜗壳进口圆周上流动参数的分布形式，由假定初场计算沿每根准正交线的速度梯度方程式(8)，得到各通流横截面上速度沿径向的分布，用(9)式校核各截面的流量，在满足流量守恒的条件下调整流线位置，得到新的流场，再进行下轮迭代，直至每根准正交线上的流量校核都满足流量守恒条件为止，则蜗壳进口圆周上从起始角坐标处出发的1根流线即为蜗壳型线。

4 建 议

蜗壳半径常被按照对数螺旋线设计，基于4点假设：

(1) 蜗壳中流动是稳定的。

(2) 忽略流体的粘性。

(3) 流体从叶轮中的出流速度均匀。

(4)蜗壳内充满流体。

然而，上述假设除第1、4条能基本满足外，第2、3条均与实际情况有较大出入。传统的离心风机蜗壳设计方法所设计的蜗壳不符合蜗壳内实际流动状态，因此这样设计出来的蜗壳不一定能使风机性能达到最佳[20]。

而且我们总是忽略这样的事实：传统对数螺旋线设计仅适用于设计流量，没有考虑变工况下蜗壳半径以及曲率对风机性能的影响。为此，蜗壳半径的设计应引入一个流量修正系数。

5 束束语

(1)传统设计方法广泛应用于风机制造行业，其对设计者的经验依赖性较高，但所设计的蜗壳型线，与蜗壳内的实际流动状态不符。

(2)新理论设计方法以蜗壳内实际流动状态为依据，其设计的蜗壳型线相比于传统设计方法较优。

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Discussion on Design Methods for Volute Shape of Centrifugal Fan

SONG Bao-jun, XIE Wen-xia

(Shaanxi Qingshuichuan Electric Company Limited, Yulin 719400, Shaanxi Province, China)

Analyzed various kinds of methods of designing centrifugal fans' volute shape and summarized theadvantages and disadvantage.Advise consider the influence of curvature for turbulent structure,make circumferential speed to be major factor to design volute shape in order to improve performance of fan.

Centrifugal fans; Volute shape; Design methods

2014-10-17

2014-12-19

宋宝军，男，陕西清水川能源股份有限公司。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.009

TK14

B

1009-3230(2015)01-0033-04