基于CFD方法的离心风机叶轮和导叶的改型分析∗

石亚君 葛爱香 付艳霞 王 新

（威海克莱特菲尔风机股份有限公司）

基于CFD方法的离心风机叶轮和导叶的改型分析∗

石亚君 葛爱香 付艳霞 王 新

（威海克莱特菲尔风机股份有限公司）

叶轮和导叶是离心风机的重要过流部件，导叶和叶轮匹配对风机外特性有至关重要的影响。为了研究不同叶轮和导叶的组合对TJL790-1型离心风机的影响，采用三维粘性计算流体动力方法，对四种不同组合的TJL790-1型离心风机复杂的内部流动进行数值求解，研究其内部流动规律，对比压力、速度分布并与实验进行对比。结合数值计算结果，给出最优化组合，以达到提高风机的效率，扩大其运行工况范围，改善内部流动的目的。结果表明，优化后叶轮、导叶比原模型压力提高329Pa，轴功率降低1.2kW，效率提高6%，导叶C内流线均匀，比原导叶旋涡减少，可满足性能要求。

离心风机；叶轮；导叶；效率；运行工况

0 引言

离心通风机的应用广泛，其结构较为简单，主要部件有机壳、主轴、叶轮、轴承传动机构及电机；主要由钢板卷制、焊接而成。目前国内外学者对离心风机的研究主要采用CFD（计算流体动力学）和实验分析两种，曹淑珍[1]利用五孔探针对小流量工况下离心通风机大宽度矩形截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量，给出了蜗壳螺旋通道部分的3～8个横截面内比较清晰的时均速度、静压和总压分布。龚华[2]利用五孔探针对大、中、小三种流量工况下离心风机大宽度矩形截面蜗壳内部的三维流动进行了详细的测量，揭示了三种流量下该种蜗壳沿流动方向在不同位置处横截面内通流速度及动量矩的实际分布情况。蒋博彦[3]利用示踪粒子成像测速（PIV）技术对多翼离心风机内部流动进行了测量，分析了小流量工况及最高效率点下蜗舌区域及进口区域处的流场。王松岭[4]采用有限体积法，利用Fluent软件对G4-73型离心风机内部流场进行了全三维数值模拟，准确地获得了离心风机内部流动。冯露[5]以某型后向板型叶片离心风机作为研究对象，利用有限体积法对离心风机内部流场进行数值模拟，采用数值计算方法研究了离心风机的结构对气动噪声的影响，运用有限元法对离心风机的振动特性进行了分析和优化。蔡涛[6]对一款高压前弯离心风机的叶轮、蜗壳流道、整机等进行逐步内流仿真测试，分析离心风机内部流动情况，并且考虑主要噪声源及其影响因素，并进行了气动噪声预测。叶轮和导叶是流体机械主要通流部件，目前一些学者[7-8]对此进行了不同的改型设计，得到了很多有意义的结论。本文基于CFD[9-10]和测试[11-12]两种手段，对型号为TJL790-1的离心风机叶轮和导叶进行了优化设计。

1 计算模型

本文以TJL790-1型离心风机为研究对象，性能参数为：流量162 000m3/h、全压4 700Pa、转速2 990r/min、空气密度1.2kg/m3、功率35kW、叶轮直径：718mm。采用Pro/E三维造型软件对TJL790-1型离心风机进行整机建模，为了增加数值求解的精度，进出口做适当延长，如图1～3所示。其中，原叶轮叶片数为10，改进叶轮A叶片数为9；原导叶叶片数为17，导叶A叶片数为15，小进口角长流道导叶，导叶B叶片数为16，导叶C在B基础上优化，减小了进口角。

图1 风机CFD几何模型Fig.1 The CFD geometric model of fan

图2 叶轮计算模型Fig.2 The calculation model of impeller

图3 导叶计算模型Fig.3 The calculation model of guide vane

2 控制方程及边界条件

2.1 控制方程

在自然界中，流体运动都遵循物理学三大定律依次为：质量守恒、动量守恒和能量守恒，其通用方程：

式中，ΓΦ为扩散系数；SΦ为源项；Φ为通用变量。方程式里面包括时间项、对流项、扩散项和源项。

2.2 湍流模型

湍流模型采用RNG k-ε模型，是重整化群模型，是把湍流视为受随机力驱动的输运过程，通过频谱分析的方法消除其中的小尺度涡并将其影响归并到涡粘性中，以得到所需尺度上的输运过程。重整化群模型与标准k-ε模型区别只在于ε方程中的c1*,在ε方程中增加了一项，反映了主流的时均应变率Eij，改善了精度，在计算功能上强于标准k-ε模型，湍动能k和湍流耗散率ε约束方程：

式中：

模型参数为：σk=1.0，β=0.012，cμ=0.084 5，σε=1.3,c1=1.42，η0=4.377，c2=168。

壁面函数是在近壁面处采用相关半经验公式进行求解，湍流核心区采用湍流模型进行数值计算，近壁处采用无滑移壁面（Smooth no-slip wall）。进口边界采用进口压力并给定压力值，出口边界采用出口压力并给定压力值。导叶和出口延伸段的一对交界面采用GGI；叶轮与进口、叶轮与导叶间的两对交互面设为动静交界面；求解的收敛精度设为1×10-5，即各个检测到的计算参数的残差随时间步长变化范围均在1×10-5以内。

3 结果分析

3.1 外特性计算结果

表1为设计工况下的四种不同组合的数值求解结果。从表1可以看出，导叶对离心风机效率有很大的影响，随着导叶叶片数的增加，原来效率从56.30%增大到了62.88%，提高了6.58%，功率下降了1.2kW，全压提高了329Pa。

表1 设计工况下数值计算结果Tab.1 The numerical calculation in design condition

图4 模型4的真机Fig.4 The actual product of model 4

图5 模型4真机的测试数据Fig.5 The experiment of results actual product model 4

图4为模型4真机，方形开口。图5为模型4真机测试数据，从图5a可以看出，当设计工况流量为16 200m3/h时，真机的全压和静压值稍大于额定值；随着流量的增大，全压和静压值在流量19 920m3/h处发生了突降；流量在15 920～19 920m3/h的区间段内存在一个较宽的运行高效区，满足设计要求；流量在15 920～23 920m3/h区间段内输出、输入功率曲线逐步平坦，功率没有上升趋势，可以有效控制电机负载；流量为19 920m3/h点的时候噪声最小，噪声值为97dB。

3.2 模型1与模型4的流场分析

图6～图9为叶轮、导叶内部流场分布，从图6可以看出原模型1和模型4对流体均有较强的约束，叶轮内部未出现流动分离，两个叶轮做功能力较优秀，从图7可以看出，流体速度矢量均沿着叶片型线，流体在叶片头部有明显的撞击，从图8可以看出，随着叶轮半径的增大，叶片表面的压力也随之增大，模型1的最大压力值大于模型4。图9为导叶三维流线分布，从图9中可以看出，改型后的导叶由于导叶叶片长度增大，对流体的控制增强，三维流线明显平缓，流动随着导叶叶片型线流动，未出现模型1的流动分离现象。因此，采用小进口角、长导叶叶片的改型策略对TJL790-1型离心风机的内部流动控制有显著的作用，可以改善流动分离[13-15]。

图6 叶轮流线分布Fig.6 The streamline distribution of impeller

图7 叶轮截面相对速度分布Fig.7 The relative velocity distribution of impeller section

图8 叶片表面静压分布Fig.8 The static pressure distribution of blade surface

图9 导叶三维流线分布Fig.9 The 3D streamline distribution of guide vane

4 结论

1）导叶对离心风机外特性有很大的影响，随着导叶叶片数的增加，原来效率从56.30%增大到了62.88%，提高了6.58%，功率下降了1.2kW，全压提高了329Pa，改善了内部流场。

2）随着流量的增大，全压和静压值在流量19 920m3/h处发生了突降；流量在15920～19920m3/h内存在一个较宽的运行高效区，满足设计要求；流量在15920～23920m3/h内输出、输入功率曲线逐步平坦，功率没有上升趋势，可以有效控制电机负载；流量为19920m3/h的时候噪声最小，噪声值为97dB。

3）小进口角、长导叶叶片的改型策略可以改善离心风机的流动分离。

[1]曹淑珍,祁大同,张义云,等.小流量工况下离心风机蜗壳内部的三维流动测量分析[J].西安交通大学学报,2002,36（7）:688-692.

[2]龚华,祁大同,张义云,等.离心风机大宽度矩形截面蜗壳内部流动中动量矩分布的实验研究[J].流体机械,2004,32（2）:1-5.

[3]蒋博彦,刘辉,王军,等.多翼离心风机小流量工况流动特性PIV研究[J].华中科技大学学报（自然科学版）,2017,45（5）:98-103.

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Retrofit Analysis of the Impeller and Guide Vanes of a Centrifugal Fan Based on CFD

Ya-jun ShiAi-xiang GeYan-xia FuXin Wang
（Weihai Credit fan Ventilator Co.,Ltd）

Impeller and guide vanes are important flow passage components of a centrifugal fan whose matching has an important influence on the characteristic the fan.In order to study the effects of the impeller and the guide vane combinations of a TJL790-1 type centrifugal fan,three-dimensional viscous computational fluid dynamics solutions were used to analyze the complex internal flow of four kinds of centrifugal fans with different impeller and guide vane combinations.The pressure and velocity distributions are compared with experimental results.The best combination impeller and guide vanes is identified,which improves the fan efficiency and enlarges the range of operating conditions.The results show that the optimal impeller pressure is increased by 329Pa,the shaft power is reduced by 1.2kW,the efficiency is increased by 6%compared with the original model.

centrifugal fan,impeller,guide vane,efficiency,operation condition

国家自然科学基金资助项目（51609107）

2017-09-22 山东 威海 264209

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0027-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0004