小型后向离心风机叶轮叶片出口宽度对性能的试验分析∗

简晓书 陈 强 赛庆毅 吴和远 朱志能

（1.贵州航天林泉电机有限公司；2.国家精密微特电机工程技术研究中心；3.上海理工大学能源与动力工程学院）

小型后向离心风机叶轮叶片出口宽度对性能的试验分析∗

简晓书1，2陈 强1，2赛庆毅3吴和远1，2朱志能1，2

（1.贵州航天林泉电机有限公司；2.国家精密微特电机工程技术研究中心；3.上海理工大学能源与动力工程学院）

在某些特殊场合中，离心风机除满足额定工况外，还需满足一定流量范围内的流量-压力曲线斜率要求。本文通过改变后向离心风机叶轮出口宽度，得到了满足其流量-压力曲线斜率要求的叶轮。同时分析了其他叶轮参数相同时，改变叶轮出口宽度对风机性能的影响。通过获得叶轮出口宽度对风机特性曲线的影响，为风机叶轮出口宽度的设计及实际工程中改造叶轮提供参考。

高速离心风机；后向叶轮；叶片出口宽度；性能曲线

0 引言

对于一定流量的后向叶轮，如果叶片出口宽度b2过小，出口速度过大，叶轮后的损失增大；而叶片出口宽度b2过大，扩压过大，导致边界层损失增加[1]。而离心风机叶片出口宽度b2对风机性能影响，国内外很多学者都做了不少的研究工作。但目前尚缺乏决定叶片出口宽度b2的可靠资料和计算方法[2]，现有的计算方法都是建立在已有经验基础上的，不同文献给出的计算公式也不尽相同。

在风机设计中，叶片出口宽度b2的确定通常采用两种方法，一种方法是根据大量已有的离心风机统计得到叶片出口宽度b2与比转速ns的关系曲线[3]，或者b2与直径Ds之间的关系曲线，在风机设计时，根据关系曲线图取值。但是从总体趋势上看，关系曲线大体成一曲线关系，但这一关系是十分不严格的，因此，由关系曲线来确定叶片出口宽度值存在很大随意性。另外一种方法是通过理论公式计算，理论公式中某些参数需要根据经验选取或者根据关系曲线取值，同样存在随意性。

在某些特殊场合，设备上不具备安装流量计的条件，只能根据压力计的压力变化进行流量控制。普通压力计不能适应特殊环境，因国内定制压力计的灵敏度及零漂等因素，使得一定流量变化在压力计上无法显示，无法满足控制要求，所以对风机规定流量范围内的流量-压力曲线斜率提出了一定要求。

本文通过改变后向离心风机叶片出口宽度，得到满足其流量-压力曲线斜率要求的叶片，同时探讨其他叶片参数相同，不同叶片出口宽度b2对风机性能的影响，并获得出口宽度改变对风机多个工况点性能参数的影响和特性曲线变化趋势，为叶片出口宽度b2的选择及实际工程中改造叶轮提供参考依据。

1 风机结构及试验方法

通过对风机理论参数的分析，在已有两种满足额定点流量压力指标叶轮的基础上，选取叶轮参数关联较少的叶片出口宽度进行分析和设计，得出相应的叶轮模型，从而获得不同的风机特性曲线。

两种风机采用相同的结构，其中一种试验风机的结构如图1所示，主要由叶轮、密封环、锁紧螺母、蜗壳以及电机组成。试验时，忽略蜗壳、密封环和锁紧螺母等零部件对风机性能的影响，利用现有两种风机的零部件和电机，更换不同出口宽度的叶轮进行性能试验。试验过程中，通过将电机闭环为固定转速，调整试验装置阀门来获得风室静压、流量压差、电流等试验参数，最终转换为标准状态下的风机参数，得到风机的性能曲线，并对其进行分析。

图1 风机结构图Fig.1 Centrifugal fan structure

本文试验的两组叶轮叶片均采用长短机翼型叶片，进口8片，出口16片，叶轮的部分相关尺寸如表1所示，试验1和试验2部分叶轮和风机实物如图2所示。

表1 叶轮相关尺寸表Tab.1 Impeller parameters

图2 试验1和试验2风机和叶轮实物图Fig.2 Test 1 and test 2 fans and impellers

试验装置和测试系统严格按照国家标准GB/T 1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验的要求设计、制造[4]，采用B型进气试验装置进行试验，在风机出气端连接试验装置，试验装置实物如图3所示。试验用仪器均在检定周期内，精度满足上述标准要求，试验结果均为换算到标准状态下的试验结果。

图3 试验装置实物图Fig.3 Test device

2 性能试验及试验曲线

2.1 试验1

原风机的叶片出口宽度为2.8mm，其中一个额定工况点的流量为300L/min时，全压为2 500Pa。试验时采用相同的蜗壳、密封环和电机，采用闭环控制将转速恒定为13 200r/min，分别对出口宽度为3mm，2.8mm和1.5mm的三个叶轮进行试验，不同出口宽度叶轮的风机性能试验曲线如图4所示。

图4 离心风机性能曲线Fig.4 Test 1 centrifugal fan performance curve

叶片出口宽度分别为3mm和1.5mm，相对于原叶轮叶片出口宽度为2.8mm的性能偏差见表2。

表2 试验1通风机性能偏差表Tab.2 Test 1 centrifugal fan performance deviation %

试验结果表明，与原叶轮b2=2.8mm相比，b2=3mm叶轮的通风机流量-全压向右上方偏移，大流量区的压力曲线几乎平行于原叶轮；流量-效率曲线向下方偏移，高效区域效率低于原叶轮通风机效率，小流量和大流量段效率接近。

b2=1.5mm叶轮的流量-全压曲线向左下方偏移，且在大流量区域，随着流量增大，风机压力比原叶轮下降速度快，即风机流量-全压曲线斜率增大。风机流量-效率曲线向左下方偏移，高效点往小流量移动，并随流量增大，效率快速降低。

从图上看出，在小流量区域，风机效率比较接近，压力随叶片宽度增大而增大。叶轮b2=2.8mm是原设计，各种损失应是最小的。当改变b2后，随着流量增大，各种损失增大，因此通风机效率有所降低，b2改变越大，效率损失越多。

2.2 试验2

为了全面研究叶片出口宽度对通风机性能的影响，本文采用另一组叶轮进行试验分析。原离心风机叶轮出口宽度为1.5mm，其中一个额定工况点的流量350L/min，全压5 000Pa。试验时采用相同的蜗壳、密封环和电机进行，采用闭环控制将转速恒定为15 730r/min，分别对出口宽度为1.5mm和1mm的两个叶轮进行试验，不同出口宽度叶轮的风机性能试验曲线如图5所示。

图5 离心风机性能曲线Fig.5 Test 2 centrifugal fan performance curve

叶片出口宽度1mm，相对于原叶轮叶片出口宽度为1.5mm的性能偏差见表3。

表3 试验2通风机性能偏差表Tab.3 Test 2 centrifugal fan performance deviation %

试验结果表明，与原叶轮b2=1.5mm相比，b2=1mm叶轮的通风机流量-全压、流量-效率曲线向左下方偏移。通风机压力和效率随着流量增大而加速降低，最高效率点往风机小流量移动。

3 b2对风机性能的影响

3.1 b2对通风机流量及压力的影响[5]

如果忽略叶轮充满系数μ的影响，对于后向叶轮，应用连续方程可以推导出流量与叶片出口宽度b2之间关系式：

式中，D2为叶轮外径；τ2为出口阻塞系数，叶轮为无折边Δ，则阻塞系数公式为；c2m为出口子午速度。

由于实际气体在叶道中流动所产生的各种损失，降低了叶轮传递给气体的能量，则有限叶片理想气体全压方程计算式为：

式中，ε为滑移系数；ηh为流动效率；tanβ2为叶片出口角度 ，；u2为叶轮外缘圆周速度，。

忽略叶片出口宽度改变前后叶轮轴向涡流和摩擦损耗变化的影响，则气流在叶轮出口处的相对速度产生偏离量相等，即叶片出口宽度改变前后出口气流角β2不变。由于叶轮其他结构参数和转速一定，叶轮出口阻塞系数τ2相等。由式（1）和式（2）可以看到，叶片出口宽度b2增大时，风机流量qv增加，压力不变，风机流量-压力曲线往右上方偏移；叶片出口宽度b2减小，风机流量qv减小时，压力不变，流量-压力曲线往左下方偏移，由于叶片出口宽度改变后，各种损失增加，压力会有所减小，试验结果也证明了叶片出口宽度b2对流量和压力的影响[6]。

3.2 b2对通风机流量-压力曲线斜率及效率的影响

根据流量与压力推导出流量-压力曲线斜率关系式：

将试验1工况流量范围（240～350L/min）和试验2工况流量范围（300～420L/min）的流量-压力曲线进行线性拟合，曲线斜率如表4所示。

从表4和式（3）看出，当出口宽度b2增大时，流量-压力曲线斜率k减小；当出口宽度b2减小时，流量-压力曲线斜率k增大，试验结果与理论吻合。

表4 风机流量-压力曲线斜率Tab.4 Centrifugal fan flow-pressure curve slope

从图3和图4看出，在相同流量qv时，当改变b2宽度后，风机出口速度变化，风机的各种损失增大，并且蜗壳和进风口与叶轮的匹配有所变化，因此风机效率会有所下降[7]，试验结果也证明了b2为3mm和1.5mm时的叶轮效率均有所下降。

同时在大流量区域，随着流量的进一步增大，压力曲线下降加快[8]，即流量-压力斜率增大，同时效率降低更明显。

3.3 b2对通风机工况性能改变

由于b2改变后，风机的设计工况点也随着发生变化，忽略其他因数的影响，则b2改变后的流量：

式中，b2，qv分别为原风机的叶片出口宽度和设计工况点流量；带有“′”的为b2改变后的出口宽度和对应流量。按式（4）计算得到b2改变后新风机工况点的流量，并根据试验数据得到该点的压力和效率，表5即为两组原风机工况点和b2改变后新风机等效工况点的性能。

从表5可以看出，按式（4）等效新风机工况点后，试验一中当叶片宽度由2.8mm增大为3mm时，压力增大3.4%，效率降低小于1%，说明叶轮叶片出口宽度变化较小时，叶轮内部等效点的气体流动状态基本一致，与前文理论分析一致。

表5 通风机b2改变前后工况点性能参数Tab.5 The performance parameters of the centrifugal fan before and after changesb2

试验1中叶片宽度b2由2.8mm减小1.5mm和试验2中b2由1.5mm变为1mm时，等效工况点的压力和效率降低较大。由于叶片栅距不变，叶片出口宽度减小，相应工况点流道内的摩擦损耗和涡流损失增大，导致风机流动损失增大，进而降低了通风机的实际压力和效率。同时还可以看出，b2存在一个最佳值使风机效率最高。

4 数值分析

为了进一步分析叶轮出口宽度对风机性能变化的影响以及探讨其性能变化的内在依据，本文选取试验2中出口宽度为1.5mm和1mm的叶轮进行仿真分析。

采用CFD分析软件Fluent对风机进行流场仿真分析。仿真时设置相同转速，边界条件采用自由进口、压力出口以及壁面采用标准壁面函数。同一截面的全压云图和速度云图如图6和图7所示，从图上可以看到出口宽度为1mm的叶轮出口处速度大，且叶片压力面与吸力面速度差异明显，在流道内容易形成回流，影响风机效率。从整体来看，叶轮出口宽度减小，相同流量下风机压力减小，效率降低，与理论分析一致。

图6 同一截面的全压云图Fig.6 The total pressure in the same section

图7 同一截面的速度云图Fig.7 The velocity in the same section

5 结论

本文通过两组不同出口宽度b2叶轮的性能试验，并进行理论分析和比较，得出以下结论：

1）当b2改变后，风机各种损失增大，效率降低。随着b2减小，风机流量-压力曲线往左下方偏移，并随流量增大降低。

2）风机的工况点随着叶片出口宽度b2变化而移动。相对流量的变化，风机压力变化小，并随着出口宽度变化量增大，压力降低量增加。

3）叶片出口宽度的变化改变了流量-压力曲线斜率k，可以利用该特性来设计有多个不同工况点流量-压力需求的风机。通过本文试验研究，采用了试验一中b2=1.5mm叶轮方案，使其满足三个工况点的流量和压力要求。

根据改变叶轮叶片出口宽度的性能变化规律，为实际工程中已有风机的叶片出口宽度改造提供依据。通过本文试验说明了该改型设计方法是可行的，具有一定的实用价值。

[1]李庆宜.通风机[M].北京:机械工业出版社，1981.

[2]Ech B.Fans[M].Pergamon Press，Oxford，1973.

[3]张玉成，仪登利，冯殿义，等.通风机设计与选型[M].北京:化学工业出版社，2011.

[4]国家质量技术监督局.GB/T1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验[S].北京：中国标准出版社，2001.

[5]方胜良.小型后向离心风机叶片接长改善风机性能的方法[J].风机技术，2012（3）:26-30.

[6]李琳.直升机用小型高压离心式风机的设计[J].北京航空航天大学学报，2003（3）:244-247.

[7]李春曦，王松岭.加长叶片对离心风机性能及噪声影响的试验研究[J].中国电机工程学报，2010（20）：71-78.

[8]刘沪红.离心通风机叶轮改变叶片出口安装角的性能试验研究[J].风机技术，2015（3）:28-30.

Effect of the Blade Outlet Width on the Performance of Small High Speed Backward Curved Centrifugal Fans

Xiao-shu Jian1,2Qiang Chen1,2Qing-yi Sai3He-yuan Wu1,2Zhi-neng Zhu1,2
（1.Guizhou Aerspace Linquan Motor Co.Lth；2.National Engineering Research Center for Small and Special Precision Motors；3.School of Energy and Power Enginerning,University of Shanghai for Science and Technology）

In special cases,centrifugal fans have to meet not only the rated operating conditions but also a certain slope of the flow-pressure curve within a specific flow range.In this paper,an impeller that exhibits a certain slope of the flowpressure curve is obtained by changing the impeller blade outlet width.At the same time,the influence of the impeller blade outlet width on the performance of the fan is analyzed while keeping all other impeller parameters constant.The influence of the blade outlet width on the fan characteristic curve is determined,which can provide a reference case for the design of the impeller outlet width in the engineering practice of impeller modifications.

high-speed centrifugal fan,backward curved impeller,blade outlet width,performance curve

TH43；TK05

1006-8155-(2017)05-0071-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0012

黔科合人才团队[2014]4023号资助，贵州省航天用低噪声、长寿命、高可靠微特电机关键技术攻关科技创新团队

2017-05-08 贵州 贵阳 550081