叶片数对高比转速离心风机气动性能和噪声影响的分析

赵 征 ，李 彬 ，，李小辉 ，陈 红 ，蔡姗姗

（1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室，广东珠海 519000；2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074）

0 引言

离心风机是通过叶轮高速旋转将气体从轴向吸入叶轮，并进行折转从径向流出［1-4］。小型离心风机由集流器和叶轮组成，其具有流量系数大、结构紧凑和噪声低等特点，被广泛应用于各行业的各种送风系统中［5-8］。传统经验设计上，高比转速（100～500）风机多为轴流式［9］，然而在特定运行条件下不能选择轴流风机，如在特定叶轮直径和转速下需求较高压升。因此，需要对高比转速离心叶轮展开研究。多位学者针对高比转速离心叶轮进行了深层次的研究，在叶轮机械领域已有一定的研究成果［10-17］。目前高比转速叶轮的设计还没有系统的方法，并且研究较少，开发高效、低噪声［18-23］的高比转速离心叶轮是当前亟需解决的一个问题。

本文所涉及的风机用于空气净化器送风系统中［24］，该系统具有风量大和阻力较大的特点，由于受结构尺寸限制和系统要求，该空气净化器风机的选型为离心风机，因此该离心风机比转速高，且轮径比达到0.8，导致该叶轮的涡流损失严重。优化设计中，为保证系统原有结构，仅对叶轮部分进行优化改进。本文主要通过对3种不同叶片数下的高比转速离心叶轮进行数值仿真计算和整机试验，并展开分析单叶轮及整机的性能和噪声，为高比转速离心风机的叶轮设计提供参考。

1 研究研究对象及数值模拟

1.1 研究对象

对空气净化器中的离心风机进行研究，叶轮区域结构总装如图1（a）所示，是去除前置滤芯的空气净化器结构示意，图1（b）分别为单叶轮三维结构示意，叶轮叶片数为7个，设计工况流量为350 m3/h，最高转速1 400 r/min，表1给出了叶轮的具体参数。为研究不同叶片数对高比转速离心通风机性能的影响，采用3种叶片数进行分析，分别为图2（a）叶片数7、图2（b）叶片数9和图2（c）叶片数 11。

图1 高比转速叶轮总装和单叶轮结构示意

表1 离心风机叶轮的几何参数

图2 叶轮叶片结构示意

1.2 数值模拟

单风机数值计算模拟采用风洞测试实验的方案进行建模和仿真计算，建模模型分为进口段、叶轮旋转域和风洞3部分，如图3（a）所示，对叶轮区域进行网格加密；如图3（b）所示，建模和网格划分时考虑集流器间隙。

图3 离心风机网格划分

采用ANSYS CFX对离心风机的三维流场进行求解，通过求解雷诺时均Navier-Stokes方程进行模拟。离心风机的马赫数一般小于0.3，故将空气视为不可压缩稳态流动，忽略重力和温度对流场的影响，离心风机流动基本上都是紊流状态，湍流模型采用RNGk-ε模型，压力速度耦合方程采用SIMPLEC算法，流体类型为25 ℃空气，进口边界条件为总压，数值0 Pa，出口设置为流量出口，监测叶轮出口压力。风机模型由叶轮旋转域和风洞静止域、进口静止域组成，动静交界面采用冻结转子交界面，设置如图4所示。

图4 计算模型前处理设置

采用图3所示的网格划分方法和图4所示的设置方法对单叶轮进行仿真计算，图5示出了离心风机在设计工况下的网格无关性验证，从550万～1 200万网格分别计算了5种网格数量，并对不同网格数量下计算得到的出口全压和效率进行对比，发现当网格数量在962万～1 200万时其参数基本稳定，因此采用962万计算网格单元。当网格数在962万的单元下，对Y+值进行查看，得到Y+值为37.3，适合数值计算时所采用的壁面函数要求。

图5 网格无关性验证

为方便试验测试，节约开发周期和开发成本，不用单独设计单风机工装，因此采用空气净化器去滤芯结构进行总装风量测试，省去的单风机性能测试，采用去滤芯的整机进行性能测试，用来验证仿真的可靠性。如图1结构所示，并进行整机结构进行数值仿真计算，对比试验和仿真数值计算结果，见表2，其总压误差为2.55%，效率误差相差2.41%，验证了数值计算的可靠性，因此后续单风机叶片数优化过程中以仿真计算分析为主。

表2 整机去滤芯试验测试和仿真计算对比

2 数值计算结果及分析

本文针对单风机进行优化，因此采用图3中的网格划分方法和图4中的设置方法进行仿真计算，并对结果进行分析。

2.1 外特性分析

图6示出了单叶轮分别在叶片数7，9，11下的外特性曲线。

图6 不同叶片数下单叶轮的外特性曲线

从图中可以看出，高比转速下，随着叶片数增多全压有不同程度增大，在设计工况下，叶片数为11的叶轮的压升最高，较原叶轮（叶片数7）的压力提高了13.3%，提升效果明显，这是由于叶片数增加增大了叶轮的做功能力。当流量大于设计工况（350 m3/h）时，叶片数9较叶片数7有所增大，但叶片数11较叶片数9基本保持不变，说明在大流量工况下时叶片数大于9其全压不会再增大，而当流量小于设计工况（350 m3/h）时，其全压随着叶片数的增多而增大，这是由于：叶片数较少，即叶栅稠度较小时，每个叶片的负荷较大，气流在叶片流道内易发生分离，流动损失增大，风机的全压和效率减小。尤其是靠近前盖板附近区域，气流的径向速度较小，造成气流的进气冲角大，进一步增大叶片负荷，流动极易分离，分离区尺度从叶片靠近前盖板到后盖板处逐渐减小。叶片数较多，即叶栅稠度较大时，每个叶片的负荷较小，气流在叶轮中的分离尺度较小，分离损失减小，效率有所提高，但同时由于叶片数增多，叶片表面积增大，叶片表面的附面层摩擦损失增大，又造成风机效率减小，同时会使叶片流道通流面积减小，流动发生阻塞，使风机流量降低。叶栅稠度增加，当性能提高不足以抵消摩擦损失造成的性能降低时，风机损失增大，效率和流量减小。因此叶片数增加对小流量工况更加有利，但不能无限制的增加，过多的叶片数可能会对大流量工况起到负面影响，因此选择合理的叶片数是风机设计中关键的因素之一。

增多叶片数不会影响风机高效工况区域，其高效工况区域都分布在250～350 m3/h流量区域之间，但增多叶片数其效率会有不同程度的提升，额定工况下，其中叶片数11和叶片9下的效率较原叶轮（叶片数7）的分别提高了2.5%和2.23%。

2.2 不同叶片数对风机性能影响的机理分析

针对不同叶片数下的单叶轮进行流场仿真计算，定义叶高为b，后盖板到前盖板的相对位置分布为（0～1）b，分别从前盖板到后盖板取3个轴面（0.9b，0.5b和0.1b）对流动进行分析，如图7所示，图中白色无流线区域均为涡流，明显可以得到靠近前盖板处（0.9b）的涡流较为严重，产生明显的分离区，靠近后盖板（0.1b）和中间截面（0.5b）的流线相对较为均匀，说明高比转速下离心风机靠近前盖板处的流动较差，本文通过增加叶片数优化其流动，如图8所示，可以看出随着叶片数的增多，其两叶片之间流道的涡流明显减少，有效的增加了叶轮靠近前盖板处的出口流量，进而提高风机效率。

图7 叶片数为7时不同叶高处流线

图8 不同叶片数0.9b叶高处流线

同时，叶轮内部的涡流是产生宽频噪声的主要原因，通过优化叶轮内部流动可以降低宽频噪声，图9示出了叶轮内部在不同叶片数下的涡核特征分布。

图9 不同叶片数叶轮域涡核分布特征

靠近前盖板处的涡核分布面积大，即前盖板处流动涡流明显，与流线反映出的现象一致。在叶轮出口处的涡核分布明显减小，可以得到叶片数增多对叶轮内部流动有一定的改善，尤其是靠近前盖板的流动改善最为明显。

3 整机试验验证

由于试验条件和项目开发周期原因，未进行单叶轮性能和噪声测试，用优化后的叶轮安装在空气净化器整机中进行试验，整机为安装滤芯后的空气净化器，即在图1中结构基础上安装滤芯进行测试，相当于仅对单风机增大了系统阻力，整机系统在350 m3/h的阻力与单叶轮数值计算的压力理论上基本接近，空气净化器整机最大风量基本在叶轮的设计工况附近，因此测试整机结果可以作为单叶轮优化结果的主要参考依据。

3.1 整机性能试验

为进行试验验证，对叶片数为11的叶轮进行手板制作，7叶叶轮和11叶手板叶轮如图10所示，并对带有滤芯的空气净化器整机进行风量试验测试，试验结果见表3。

图10 不同叶片数叶轮结构

表3 整机性能试验数据

从试验结果可以看出叶片数增多，其整机风量增加约2.5%，功率微增，与数值仿真计算结果的趋势基本一致。

3.2 整机噪声试验

对原机整机和手板（11叶）整机进行噪声声功率测试，试验在半消音室中进行，测试方案按GB/T4 214.1-2017标准进行，测量表面为带有9个测点的矩形六面体进行，测点布置如图11所示。基于声压法的声功率测量，其测试结果见表4。

图11 空气净化器整机测点布置

表4 整机噪声试验数据

从表4的测试数据可以得到，手板（11叶）的整机声功率级较原机降低了0.8 dB（A），手板（11叶）的风量较原机增大了2.5%，理论上噪声总值会随风量的增大而增大，而手板（11叶）的噪声总值确有所降低，说明叶轮叶片数增多对其宽频噪声的有所改善，同时噪声降低也是叶轮内部流场改善的一个较为明显的体现，因此在优化改进风机噪声时，通过减小叶轮内部涡流，提高叶轮内部流体流通能力，提升叶轮效率，也可以作为降低宽频噪声一个参考指标。

4 结论

（1）针对特高比转速的离心风机，其叶片数对叶轮内部有较大的影响，主要是对靠近前盖板处的涡流有一定的影响，叶片数较少时，叶轮内部的流动容易产生流体分离，但叶片数过多时，会使叶片流道通流面积减小，流动发生阻塞，使风机流量降低，在高比转速下离心叶轮的叶片数的选择一般会大于推荐值［9］，合理的叶片数是风机设计特别是高比转速下的风机设计至关重要；

（2）通过减少叶轮内部的涡流可以降低由叶轮内部涡流引起的宽频噪声，在数值计算中效率是一个较为关键的参数，一般针对单叶轮而言，内部涡流减少，单叶轮的效率会提高，同时宽频噪声会有所降低，对于高比转速的离心叶轮，适当的增大叶片可以降低噪声，为叶轮的设计提供一定的参考。