叶片数对多翼离心风机性能影响的分析∗

李 辉 王 军 周水清 胡修柏 熊官政 徐天赐

（1.华中科技大学能源与动力工程学院；2.浙江朗迪集团股份有限公司）

叶片数对多翼离心风机性能影响的分析∗

李 辉1王 军1周水清1胡修柏2熊官政2徐天赐2

（1.华中科技大学能源与动力工程学院；2.浙江朗迪集团股份有限公司）

多翼离心风机流道窄，叶片数分布多，压力系数及流量系数大。叶片弦长短、数目多，导致稠度大，这种风机内部滑移系数有别于其他类型离心风机。科学合理的设计叶片数，会使多翼离心风机得到好的尾迹流场分布。为了研究稠度对风机性能影响。本文选取三种不同叶片数目的叶轮作为研究对象，通过数值仿真手段，对其内部流场及外部特性展开研究，研究结果表明：有48片叶片的多翼离心风机，具有较好的内流分布及外部特性，最后通过性能试验对这一结论进行了验证。

多翼离心风机；性能；叶片；数值模拟

0 引言

多翼离心风机设计遵循工程设计方法，设计过程中涉及变量众多，且有部分变量仅推荐了取值范围，没有精确取值计算方法，这给设计开发带来不确定性，需要在设计过程中反复调整参数，才可得到满足性能要求的风机。现今，CFD技术已被广泛应用于风机设计，文献[1-2]也指出应用CFD技术来设计多翼离心风机是可行的。在对风机设计方案进行CFD分析之前，快速得到风机三维模型将有助于节省时间，缩短开发周期。

多翼离心风机直径比大，流道窄，往往叶片数分布较多。叶片弦长短，流道常存在横向旋涡影响，叶片尾缘出口速度分布不均匀性较强。为了研究叶片数对风机内部流场分布的影响，本文针对某款双吸多翼离心风机设计三种不同叶片数的风机模型，开展数值与试验研究，通过对比分析，探讨叶片数对风机性能影响。

1 风机模型

本文研究用的多翼离心风机结构，如图1所示，根据叶片数基本公式[3]Z=πD1(0.7-1)-1R-1，可知叶片数选取范围为40～48片。

图1 风机叶轮模型Fig.1 Impeller of multi-blades centrifugal fan

被研究的风机采用前后双吸进气结构，设计工况点下风机转速1 200r/min，主要结构参数见表1。为了下文讨论方便，分别将48片、40片与45片叶轮风机，记为A风机、B风机及C风机。

表1 风机叶轮主要结构参数Tab.1 Structural parameters of impeller

2 网格及边界条件

对风机建立三维流场网格模型，应用Fluent数值模拟软件对模型进行定常CFD数值模拟，预测风机内、外部特性，分析不同叶片数对风机性能的影响。风机中两个垂直转轴的纵向中截面如图2所示。

图2 两个纵向中截面的位置示意图Fig.2 Two vertical middle sections

采用ICEM进行网格划分，叶轮进出口边、叶轮壁面及蜗壳动静耦合区进行边界层加密处理，网格Y+小于50。对网格进行无关性验证，划分叶轮网格数量为5 422 520，蜗壳网格数量为1 386 250，整体计算域网格为8 211 350。

计算采用的湍流模型选取k-ε标准方程模型，壁面附近采用标准壁面函数。湍流耗散项、湍流动能、动量方程都采用二阶迎风格式离散；计算方法采用SEGREGATD隐式方法[4]；根据多翼离心风机的实际运行情况给定叶轮进口大气压和湍流强度及水力直径边界条件[5-6]；蜗壳出口给定出口静压0Pa边界条件[7-9]；叶轮选用旋转坐标，蜗壳选用静止坐标[10-11]，给定标准壁面边界条件。

3 计算结果分析

从图3和图4中静压分布云图可以看出在第一、二节截面上，三个叶轮压力分布的共同点是：在径向方向上，随半径增大压力升高；由于蜗壳损失的存在，气流总压由蜗壳内侧向外侧呈递减趋势。而当叶片数为48时，中截面上蜗壳内侧压力等值线分布相比其它而言比较均匀。此外，三种叶轮在蜗舌附近均存在一个全压高的小区域，对出流有一定影响。仿真结果表明，叶片数为48的叶轮蜗舌区域，高静压区域较小，靠近蜗舌区域流道流动状况比其它叶轮的好，蜗壳靠出口处的出流状况也好些，因而，在出口全压相同时，48片的叶轮拥有更好的气动性能。

从所给的流线分布图5和图6可以看出，在第一节和第二节截面上，三种叶轮具有相似的内部流动状况：靠近蜗舌的叶片流道内气流的流动比较紊乱，而相对而言，在叶轮圆周的其他部位，流动情况则更好一些。这主要是气流在接近蜗舌的流道中出流受到蜗舌的阻塞，导致该区叶道以及叶轮进口部位的流动变得复杂，出现明显的进口旋涡，在大流量时甚至出现气流由蜗壳返流至叶轮进口。

三种叶轮在靠近蜗舌区域的流道中的二次涡最大，出口圆周上的气流速度大小分布很不均匀。虽然各叶轮的多数流道中都有二次涡存在，但是相比之下，叶片数为48的叶轮流道中的旋涡要小一些，叶轮出口圆周上的速度值大一些，因此，在出口静压相同时，此叶轮的出风量要大一些。

图3 三种风机第一节叶轮垂直转轴中截面的静压分布云图Fig.3 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotatingaxisofthefirstsectionimpellerinthethree fans

图4 三种风机第二节叶轮垂直转轴中截面的静压分布云图Fig.4 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the second section impeller in the three fans

图5 三种风机第一节叶轮垂直转轴中截面的流线分布图Fig.5 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the first section impeller in the three fans

图6 三种风机第二节叶轮垂直转轴中截面的流线分布图Fig.6 Thestaticpreasuredistrbutionof themiddlesectionverticaltherotating axis of the second section impeller in the three fans

由数值模拟结果，统计得出A，B和C三种结构风机的全压-流量性能曲线，和效率-流量曲线，分别如图7、图8所示。从图7可以看出，三种风机全压都随流量呈单调递减规律变化。在整个流量范围内，A型结构风机全压高于B型和C型风机。整体而言，在设计流量下，B型和A型结构风机全压较为接近。从图8可以看出，三种风机效率都随流量呈单调递减规律变化。在整个流量变化范围内，A型结构风机的效率略高于B型和C型风机；整体而言，在设计流量下，A型和B型结构风机的效率较为接近。

图7 全压-流量曲线图Fig.7 Characteristic curve of total preasure versus flow of the fans

图8 效率-流量曲线图Fig.8 Characteristic curve of efficiency versus flow of the fans

4 试验分析

分别对A，B，C三款风机进行性能试验，以验证数值计算结果的准确性。空气动力性能试验方法以GB/T1263-2000工业通风机—用标准化风道进行性能试验[5]为依据。试验类型为C型试验，流量测量方法为锥形进口喷嘴，功率测量方法为电测法。试验装置结果示意图如图9所示。

图9 风机实验测试现场图Fig.9 Fan experiment on site

由图10和图11三种风机外特性曲线可以得出：全压-流量曲线实验值与模拟值在运行流量范围内（5 200～7 500m³/h），基本一致，最大误差为6.11%；效率-流量曲线试验值与模拟值在运行流量范围内，基本一致，最大误差为6.67%。故可以认为在运行流量范围内，数值计算结果能够很好的模拟真实的流动状况。因此，叶片数为48片时，在对应的流量工况下，全压和效率都较高，具有最佳气动性能。

图10 全压-流量性能对比曲线图Fig.10 Characteristic comparison curve of total preasure versus flow of the fans

图11 效率-流量性能对比曲线图Fig.11 Characteristic comparison curve of efficiency versus flow of the fans

5 结论

1）采用CFD数值仿真技术，分析叶片数对多翼离心风机流动特征及性能影响，结合试验数据进行对比，验证了数值仿真合理性。

2）分析叶片数对多翼离心风机性能影响，经过数值仿真和实验表明，叶片数对多翼离心风机性能存在较大影响，在设计流量工况下，当叶片数为48片时，气动性能最佳。

3）结合数值与试验研究手段，对不同叶片数下风机性能进行对比研究，研究方法及结果为后续开展叶轮几何参数影响提供参考。

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The Effect of the Number of Blades on the Performance of a Multi-blade Centrifugal Fan

Hui Li1Jun Wang1Shui-qing Zhou1Xiu-bai Hu2Guan-zheng Xiong2Tian-ci Xu2
（1.School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology; 2.Zhejiang Langdi Group Co.,Ltd.）

A multi-blade centrifugal fan has a large pressure and discharge coefficient due to the narrow flow channel and multiple number of blades.Due to the shorter blade chord length and high solidity,the multi-blade fans is different from other types of fan.It should design reasonable number blades for multi-blade fan to get the good wake flow distribution.In order to study the impact of the solidity on the performance,three different blade numbers of an impeller were analyzed by numerical simulation.The results of the characteristics of the internal and external flow field show that the fan has a good flow distribution and external characteristic with 48 blades.This conclusion was verified based on test results.

multi-blades centrifugal fan，performance，blade，numerical simulation

TH432；TK05

1006-8155-(2017)02-0019-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0004

∗校企产学研项目：NO.12010231120323

2016-07-20 湖北 武汉 430074