离心通风机变宽度设计的研究

张义云 田俊俊 姜高众 张亦可

（西安交通大学能源与动力工程学院）

离心通风机变宽度设计的研究

张义云 田俊俊 姜高众 张亦可

（西安交通大学能源与动力工程学院）

本文通过数值模拟对4-72№4.5A型直叶片离心通风机进行了变叶轮出口宽度的设计研究，研究发现离心通风机最高效率点的流量和压力随着叶轮出口宽度的减小而减小，且流量变化基本呈线性变化。其中效率的变化并没有随着宽度的减小而立即降低，宽度变化率小于20%时依然可以保持较高的效率，大于传统变宽度研究推荐15%的变化范围，并对此结论进行了试验验证。

离心通风机；变型设计；叶轮出口宽度；数值模拟

0 引言

目前离心通风机的变型设计中，变叶轮出口宽度主要改变风机的流量，而对风机压力的改变较小，这也是最经济可行的方法。

就目前的研究和应用来看，为了减小叶轮出口宽度，一般采用变宽度设计，其叶轮出口宽度变化量一般不大于15%。而如果采用15%作为叶轮出口宽度变化上限，则由于变化量较小，要通过变宽度设计来覆盖全部流量系数范围，所需要的基本机型会较多，不能够达到简化设计的目的。因此对离心通风机的变宽度设计进行了更深入的研究，尝试总结出当改变叶轮宽度时离心通风机的流量、压力和效率等的变化规律，找出更大的叶轮出口可改变宽度的范围，以期实现用较少的风机模型通过变宽度设计覆盖整个流量系数范围。

1 原型机及变宽度设计方法

1.1 原型机

以4-72№4.5A型直叶片离心通风机为原型机作为研究对象，相比4-72№4.5A型通风机，除了将机翼型叶片改为直叶片外，其余部分未做任何改变，空气动力学略图可参见风机手册[2]，该风机叶轮模型如图1所示。

图1 4-72№4.5A离心通风机叶轮Fig.1 The 4-72№4.5A centrifugal fan lmpeller

该风机叶轮的主要参数如下表：

表1 4-72№4.5A型风机叶轮主要尺寸Tab.1 The Parameters of 4-72№4.5A centrifugal fan

2.2 变型设计方法

与传统的变叶轮宽度设计方法不同，本文研究的变宽度方法如下：1）叶轮宽度减小，轮盖和叶片型线保持不变；2）蜗壳宽度也同时减小，减去的尺寸和叶轮减去的尺寸相同，保持叶轮后盘到蜗壳侧板的距离不变；3）其余部件和尺寸均保持不变。

3 数值模拟

3.1 数值模拟几何模型和数学模型

本文采用商业CFD软件ANSYS FLUENT，在数值模拟研究中，几何模型为气流从进风口到蜗壳出口经过的所有流动区域，其边界为进风口、叶轮和蜗壳的内壁型线，几何模型的建立采用SolidWorks软件完成。为了符合实际，在进风口外面加了一小段进风管道，其直径和进风口进口直径相等。网格的划分采用商业软件ANSYS ICEM，划分网格时，对进气区域、叶轮和蜗壳这几部分分别独立进行划分，其中叶轮部分在划分时，先对单个流道进行了网格划分，再通过圆周阵列复制得到了整个叶轮的模型和网格。本文中所有网格均为六面体结构网格，各个壁面上的网格都进行了边界层加密，整机网格总数大约为200万左右，整体网格质量在0.4以上，能够满足计算要求。通风机的整机和各部分的网格划分如图2所示。

图2 通风机整机和各部分网格划分示意图Fig.2 The fan overall unit and components mesh

在完成各部分的网格划分后，在ANSYS FLUENT软件中再将这些部分组合起来，各部分之间采用Interface连接。

在FLUENT求解中采用稳态计算；采用多参考系方法（MRF），叶轮所在区域为旋转区域；边界条件中进口采用速度进口，出口采用大气压力出口；湍流模型采用RNG k-ε模型，壁面为标准壁面；求解方式用SIMPLEC；求解格式中压力项为Standard，其余均为二阶迎风格式。

在本文进行数值模拟时，一般选取7个流量点，在FLUENT中进行模拟计算后，读取结果并经简单的换算，得出各流量点上风机的全压和效率后，再将7个点的数据绘制到一起，即可得到风机的性能曲线。

3.2 数值模拟

在上述变宽度方法下，通过数值模拟对4-72№4.5A直叶片风机进行了变宽度的研究，变叶轮宽度叶轮的出口宽度变化百分比包括20%，40%，60%，70%，80%，叶轮转速设定为2 900r/min。图3为4-72№4.5A型离心通风机变宽度时的数值模拟性能参数。

图3 4-72№4.5A型风机变宽度机型数值模拟数据Fig.3 The Numerical simulation result of 4-72No4.5A fan with impeller width changed

从图3可以看出，随着宽度变化量的增加，通风机的流量和全压都逐渐减小，并且在高效区间的范围也逐渐缩小。而最高效率点的效率并没有随着叶轮出口宽度改变而立即减小，只有当宽度变化量达到80%的时候，效率才明显降低。

3.3 最高效率点数据分析

对比通风机最高效率点的性能变化，可以分析出其不同宽度改变量下风机的性能变化规律。本文分析了离心通风机最高效率点的性能随其叶轮出口宽度改变的变化。图4至6给出了4-72№4.5A型离心通风机在不同宽度变化量下，其最高效率点流量、全压和效率的变化规律。

图4 最高效率点流量随宽度改变的变化Fig.4 The flow rate vs the width changes in the highest efficiency point

图5 最高效率点全压随宽度改变的变化Fig.5 The total pressure at the maximum efficiency point varying with changing width

图6 最高效率点效率随宽度改变的变化Fig.6 The efficiency at the maximum efficiency point varying with changing width

图4是变宽度后风机原机在最高效率点流量的比值随出口宽度改变的变化规律。可以看出，随着宽度改变量的增加，离心通风机最高效率点的流量逐渐减小，并且其减小趋势基本呈现线性变化规律。

图5是变宽度后风机和原型机在最高效率点全压比值随着出口宽度改变的变化规律。可以看出，随着宽度改变量的增加，离心通风机最高效率点的全压也逐渐减小，并且其减小的趋势接近于抛物线规律，即宽度变化量较小时其全压降低速度缓慢，宽度变化量变大后，随着宽度改变量的增加全压降低速度加快。

而通过图6可以看出，离心通风机最高效率点的效率并没有随着宽度改变的增加而立即降低，只有当宽度变化量大于70%后，才出现明显的效率降低。当然，此数值模拟结果仍需试验验证。

由于离心通风机最高效率点的效率在很大的一个变宽度范围内都未随着宽度改变的增加而降低，所以考虑最大可变宽度时主要考虑风机全压的变化，从图5可以看出，当出口宽度变化量在20%以内时，全压依然可以保持为原型机全压的98%以上，从图3（b）中也可以看出，其高效区的范围并没有明显减小，依然有一个较宽的范围。所以，通过数值模拟的结果可以初步得出，通过新的变出口宽度的方法，可以将变宽度的范围适当的提高。

4 数值模拟和试验结果对比验证

数值模拟和试验结果对比验证在本文的研究中，对4-72No4.5A型直叶片离心通风机原机进行了数值模拟，同时也对其进行了试验测量，并将数值模拟和试验测量结果进行了对比验证。

本文根据GB/T 1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验中的进气试验方法，对4-72No4.5A型直叶片风机的流量、压力和效率等参数进行了试验测量，试验中用到的测量仪器如表2所示。

表2 相关测量仪器Tab.2 The measurement device

试验实物照片如下图7所示。

图7 通风机风管式进气性能试验实物照片Fig.7 The performance experiment of wind duct

数据采集和处理系统采用西安交大流体机械所研发的《MGS通风机试验数据采集系统》进行采集，该系统能够实时显示，拥有精度高、数据准确、采集速度快等优点，并且能够完成自动处理和试验报告生成。

在本文的试验中，为了保证可靠性，对试验仪器、采集系统、数据处理软件都进行了认真仔细的校准和检验。

本文中所进行的数值模拟和试验测量，风机的转速都设定为2 900r/min。在完成4-72No4.5A型直叶片风机的数值模拟和试验测量后，对两者的数据进行了对比验证，图8为4-72No4.5A型直叶片风机数值模拟结果和试验结果的对比。

图8 4-72No4.5A型直叶片通风机性能的模拟值和试验值对比Fig.8 The comparison of simulation and experiment results of 4-72No4.5A fan

从图8（a）可以看出，虽然在最大和最小流量处，数值模拟结果和试验结果略有偏差，但是在整体曲线上，数值模拟结果和试验结果能够较好的吻合，特别是在高效点附近曲线基本重合。从图8（b）中看出数值模拟结果和试验结果也吻合得较好，其中高效点所在的流量位置基本相同。虽然模拟效率整体上比试验效率低了大约5个百分点，但是由于在本文的研究中，采用的是模拟数值之间的对比来进行研究并找出其变化规律，所以这个误差并不影响使用数值模拟方法的真实可靠性。

为了验证变宽度数值模拟得到的结果，也进行了变宽度的试验验证。选用了叶轮出口宽度分别为原机100%、80%、70%和60%的四台通风机，试验结果见图9和图10。

图9 流量-全压曲线Fig.9 The flow rate-total pressure curve

图10 流量-效率曲线Fig.10 The flow rate-efficiency curve

从图9和图10中可以看出，从流量-全压曲线来说，虽然在小流量处，数值模拟结果和试验结果有些偏差，但在整体曲线上有较好的吻合，特别是在高效点附近。从流量-效率曲线来看，虽然在整个曲线上，模拟效率比试验效率要低大约3～5个百分点，但高效点所在的流量位置基本相同，且我们研究的是随着叶轮出口宽度的改变，风机性能的变化规律，因此这些误差并不影响本文研究结果。

如表3中试验数据的所示，随着宽度的变化，离心通风机最高效率点的效率也没有随着宽度的减小而迅速降低，这和模拟数据得到结果一样。但从高效范围来看，当宽度变化为20%时，依然能够保持一个较宽的范围，约为原机的91.7%，而当宽度变化范围增大到30%和40%时，离心通风机的高效范围会有明显的变窄，高效范围降到原机的80%左右。所以将宽度变化范围扩大到30%以上不可取。

表3 试验通风机高效范围数据Tab.3 High efficiency range of testing fan

当将宽度变化范围扩大到20%时，其高效点效率为原机的98.82%，高效范围为原机的91.7%，高效点全压为原机的97.89%，各项性能都没有明显变小。所以，我们认为，通过新的变叶轮宽度方法，可以将变叶轮出口宽度的变化范围扩大到20%，依然可以保证离心通风机在较高的效率和较宽的高效范围内运行。

5 结论

提出了一个关于离心通风机变叶轮出口宽度的变型设计方法，通过数值模拟和试验验证，对4-72№4.5A型直叶片离心通风机进行了研究，发现将传统的宽度变化范围从15%扩大到20%后，离心通风机的效率、全压和高效范围与原机相比并没有明显的减小，依然可以在较高的效率和较宽高效范围内运行。因此，认为通过新的变叶轮出口宽度方法，可以适当扩大叶轮出口宽度的变化范围。

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Changing Width Design of Centrifugal Fan

Yi-yun ZhangJun-jun TianGao-zhong JiangYi-ke Zhang
（School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University）

In this paper,the design of variable impeller outlet width of 4-72№4.5A type straight blade centrifugal fan is analyzed by numerical simulation.The results show that the flow rate and pressure radio at the maximum efficiency point of the centrifugal fan decreases with the width of the outlet impeller decreased and the variation of the flow rate is linear while the efficiency does not immediately reduce with the width decrease.From the results it can be concluded that the fan efficiency can maintain a high level,when the width changes by less than 20%which is a larger value than the 15%traditional recommended.This result is verified by fan tests.

centrifugal fan,variant design,impeller outlet width,numerical simulation

2017-05-25 陕西 西安 710049

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0053-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0009