叶型改进对离心通风机内部气动激励影响机理的数值分析研究

丁可金，王强，王璐,吕亚

（上海船舶设备研究所，上海200031）

叶型改进对离心通风机内部气动激励影响机理的数值分析研究

丁可金，王强，王璐,吕亚

（上海船舶设备研究所，上海200031）

叶片是离心通风机核心部件，为研究叶型改进对离心通风机振动的影响，对某型离心通风机进行气动激励的仿真计算；通过定常计算，发现叶型改进能够推迟流动分离，减小诱发振动的激励因素；通过非定常计算，发现叶型改进对离心通风机气动激励的影响主要体现在压力脉动的改善，尤其是叶频脉动的降低；用计算分析结果对通风机振动变化进行预估，样机试验结果表明，叶型改进能够降低叶频振动，同时也表明气动激励分析可为通风机低噪声改进效果提供判断依据。

振动与波；离心通风机；叶型；气动激励

当前离心通风机的设计重点已经由过去的单纯注重气动性能发展为综合考虑气动特性、低噪声的阶段[1–3]。叶型对离心通风机的整体性能起着主要作用，优秀叶型可以改善离心通风机叶轮通道间存在的流动分离、二次流等不良流动，降低气动激励，从而降低振动噪声[4–8]。文中通过不同叶型离心通风机内部流场的仿真计算，从定常和非定常角度分析叶型改进对离心通风机气动激励的影响，并以此进一步预测叶型改进对离心通风机振动的改善作用，最后通过试验，验证计算分析结论，为离心通风机的低噪声改进设计提供借鉴。

1 风机结构说明

研究的离心通风机设计转速为2 920 r/min、流量为10 000 m3/h、全压为3 200 Pa，由进口集流器、叶轮、蜗壳等部分组成，其中叶轮叶片数为12。图1为通风机三维图，图2为分析的两种叶型：板型（图2右）和翼型（图2左），表1为两种叶型通风机结构组成说明。

表1 风机结构组成说明

图1 离心通风机

图2 叶型

2 数值计算设置

2.1 流场计算方法

计算采用有限体积差分格式结合湍流模型，对相对坐标系下的三维雷诺时均Navier-Stokes方程进行求解，采用显式4阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，在此基础上，以通风机定常计算值为初场，进行通风机内部流动的非定常计算分析。

2.2 网格生成

计算中将整机网格分块，单独生成网格后组装起来，图3给出了整机网格剖面图。

2.3 边界条件

计算中通风机轮毂、叶片表面以及蜗壳壁面均被设定为无滑移、绝热壁面；入口段选用流量进口边界条件；出口边界选择自由出流边界条件。

图3 整机计算网格剖面图

3 两种叶型气动激励特性分析

3.1 定常特性分析

3.1.1 总性能分析

首先针对两型通风机进行定常计算分析。表2给出了两型样机在设计工况下的计算值和实测值。表中显示，两型通风机不管是计算值还是实测值，在设计工况流量、全压值基本相当，而效率则是翼型叶片通风机明显高于板型叶片通风机，说明在满足基本性能需求的前提下，采用翼型叶片损耗小，效率高，整体气动性能较好。

3.1.2 流场分析

离心叶轮内部区域，一般在大叶高处（叶片从后盘到前盘方向的高度称为叶高，大叶高即为叶片靠近叶轮前盘的位置）流动容易产生恶化。图4给出了设计流量下两种叶型通风机大叶高处的速度云图，图5、图6给出了大叶高处相对速度矢量分布图及相对总压分布图。可以看到，板型叶轮叶片通道间的流动情况明显差于翼型叶轮，主要表现为板型叶片气流分离的起始位置极为靠前，并且通道中低总压区域面积也相对较大；在近蜗舌区域，板型叶片通道的流动恶化更为明显，几乎从气流进入叶片通道就开始了流动分离。受此影响，板型叶轮通风机在蜗壳中对着叶轮出口的蜗舌区域出现了明显的低速区，而翼型叶轮在近蜗舌区域的流动相对较好。流动分离及压力分布不均是引起气动激励、振动噪声增大的主要原因，翼型叶片通风机内部更好的流动状态，对提高通风机效率和降低振动都起到了良好的作用。

表2 通风机计算值及测试值

图4 大叶高处速度云图

图5 大叶高处相对速度矢量分布图

图6 大叶高处相对总压分布图

3.2 非定常特性分析

压力脉动是反应通风机气动激励特性的标志性参数，在一定程度上可作为设备低噪声设计的判别依据。

3.2.1 压力脉动时域分析

在通风机模型内部设置了压力脉动数据采集点，分布如图7所示。其中，周向位置如图左侧所示，从蜗舌处至近风机出口P1—P4，在每个周向采集位置沿轴向又布置四个采集点（图右），每点位置可由Z/B比值表示为0.17、0.27、0.34、0.75（B为蜗壳轴向宽度，Z为测量孔距蜗壳后侧板轴向距离），每点位置表示为Pxy，其中x表示周向位置，y表示轴向位置。

图7 蜗壳壁面静压计算数据采集点位置

P1所在的蜗舌位置是离心通风机内部流动相对复杂的区域。图8为设计工况下P1位置处轴向四个点压力脉动平均幅值变化曲线，可以看到，总体趋势上，P11、P12、P13三点处两型叶轮脉动值均较大，尤其是在近叶轮前盘处的P13处，脉动幅值最大，这是因为以上三点都正对着叶轮出口，直接承受气流的冲击，而P13点靠近叶轮前盘（大叶高处），对应的脉动值更大，这与前文定常分析中指出的大叶高处流动最容易恶化的情况相一致；P14位于叶轮前盘与蜗壳前侧板区域内，受叶轮出口气流影响较小，脉动值也相对较小。具体量值上，翼型叶轮压力脉动值均明显小于板型叶轮。

图8 P1位置处轴向脉动幅值曲线

图9给出了设计工况下通风机蜗壳沿周向P1、P2、P3、P4位置处轴向3号点的压力脉动平均幅值变化曲线。

从图中可以看出，在蜗壳整个周向范围内，翼型叶轮脉动值都明显小于板型叶轮；随着周向位置改变，两型叶轮脉动值均逐渐变小同时两者之间的差值也随之变小。这是由于随着周向各监测点离叶轮出口的距离逐渐加大，叶轮出口气流的冲击影响逐渐减弱，也表明叶片的周期性影响是离心通风机内部气动激励的主要原因。

图9 周向4个位置处3号点脉动幅值曲线

3.2.2 压力脉动频域分析

图10为两种叶型周向P13、P23、P33、P43点处的压力脉动频域图。可以看到，在频率范围内，叶频为583.2 Hz处存在最为明显的脉动峰值，并且在大部分区域，都是叶频占据了主要地位，说明叶频激励是离心通风机气动激励的主要成分，在数值上，翼型叶轮叶频幅值明显小于板型叶轮；在低频段，两型叶轮都存在一些包括轴频（为48.6 Hz）在内的脉动峰值，在整个频率范围内也占据了一定的贡献度，从数值上看，也是翼型叶轮小于板型叶轮。

图10 设计工况下风机周向位置处3号点压力脉动频域曲线

表3 不同叶型样机振动加速度/dB

图11 样机振动加速度频谱图

4 振动加速度测试分析

从以上气动特性分析可以看到，采用翼型叶轮的通风机，内部整体流动以及压力脉动等均优于板型叶轮通风机，尤其是叶频脉动，翼型通风机明显低于板型叶轮通风机。因此，从气动激励诱发振动的角度考虑，翼型叶轮通风机振动应低于板型叶轮通风机，并且在叶频振动方面会有明显改善。

图11为两种叶型通风机机脚振动加速度频谱图，表3为振动加速度具体测量值，可以看到，两种叶型通风机频谱曲线基本相似，在量值上，翼型叶轮样机总振级比板型叶轮样机低约2 dB；从特征频率看，在受气动激励影响的频段中，叶频振动占了主要地位，且翼型叶轮通风机叶频振动值比板型叶轮通风机低9 dB以上，这与前文分析中对通风机振动的预测情况相一致，进一步表明了叶频激励的降低对叶频振动有改善作用；在低频段，前文通过计算分析指出，翼型叶轮样机气动激励同样优于板型叶轮样机，但是，可能是受实际加工工艺以及叶轮动平衡工艺等影响，两型风机低频段振动基本相当。

5 结语

通过不同叶型离心通风机内部流场的计算仿真，分析叶型改进对离心通风机气动激励的影响，并通过激励对比，预估叶型变化对通风机振动的改善效果，获得如下结论：

(1)叶型改进对离心通风机内部气动激励有较为明显的改善作用，主要影响机理为叶型的优化推迟了叶片通道间的流动分离，缓解了叶轮出口气流的冲击，从而降低了叶频脉动；另一方面，由于叶轮出口流动的改善，一定程度上减弱了蜗壳内部二次流、漩涡等低频激励的产生和传递，从而改善了低频段压力脉动；

(2)气动激励是通风机主要的振动源之一，尤其是叶频振动的大小与通风机的叶频激励有着直接关系，试验结果显示，叶型改进对降低叶频振动有明显作用，因此，气动激励计算结果可以为离心通风机特定频率振动改善效果预估提供有效判据。

[1]徐辰，杨爱玲，毛义军.离心风机噪声预测方法的进展与分析[J].流体机械，2011，39（7）：35-40.

[2]卢傅安，祁大同，蔡建成.离心风机蜗壳在内部流场脉动压力激励下的动力响应[J].应用力学学报，2009，26(3)：450-455.

[3]高健，郑云鹏，卜研.多翼离心风机结构优化研究[J].机械设计与制造，2014（11）：168-172.

[4]吴大转，赵飞，杨帅，等.叶片分布方式对微型风机气动噪声影响的数值研究[J].风机技术，2015(2)：20-25.

[5]艾文森，陈雪江.叶片进口安装角对多翼离心风机噪声的影响[J].风机技术，2016(2)：37-41.

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

[7]CAI JIANCHENG,QI DA TONG.A quantitative study of the blade passing frequency noise fan[J].Journal of Vibration Engineering,2012,14(3):1200-1211.

[8]LU FU AN,QI DA TONG,CAI JIAN CHENG.Dynamic response of volute of centrifugal fan under aerodynamic excitation[J].Chinese Journal of Applied Mechanics, 2009,26(3):450-455.

NumericalAnalysis of Influence of Blade Type Change on InternalAerodynamic Excitation of Centrifugal Fan

DING Ke-jin,WANGQiang,WANGLu,LYUYa
（Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China）

Blade is the key part of centrifugal fans.In order to study the effect of blade type improvement on the vibration of centrifugal fans,the aerodynamic excitation of a centrifugal fan is simulated.Through steady flow calculation,it is found that the improvement of the blade type can delay the flow separation and reduce the incentive factors of the induced vibration.Through unsteady flow calculation,it is found that the effect of blade improvement on the aerodynamic excitation of the centrifugal fan is mainly reflected in the reduction of pressure pulsation,especially in the decrease of the blade frequency pulsation.According to the analysis of the simulation results,the vibration change of the centrifugal fan is evaluated.Test results of the sample fan show that the improvement of blade type can reduce the vibration of blade frequency and the aerodynamic analysis can provide a criterion for the improvement effect evaluation of the fan design.

vibration and wave;centrifugal ventilator;the types of blades;aerodynamic excitation

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.009

1006-1355(2017)02-0042-05

2016-12-26

丁可金（1979-），男，江苏省无锡市人，博士生，主要研究方向为船舶舱室流体机械低噪声设计。E-mail:562005183@qq.com

王强，男，博士生导师，研究员，主要研究方向为振动、噪声与冲击。