导流罩的形状对电机内轴流风机流场的影响研究

陆月星，贾 铭，张 兴，章力天，杨 刚，黎和俊，潘柏根，周堂鑫

（安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城242500）

轴流风机在电机行业中主要用于散热，尤其在变频电机中，其轴流风机的流道，利用强制对流换热使电机达到理想散热效果[1-2]。其中导流罩的形状会对风机流场特性产生重要影响。导流罩不同形状对风机出入口的流动情况产生重要影响，进而改变风机的效率和流量等参数，同时会造成流动损失[3-4]。因此，研究不同导流罩的形状下的轴流风机流场特性对改善风机性能具有重要意义。

1 结构模型

建立的验证性流道和轴流风机装配示意图如图1所示，研究对象为导流罩的形状。其中流道长度为434mm，宽度为84mm，高度为424mm，长宽比为5.4，叶顶间隙为4mm。其中风机的设计参数如下：叶片外径为120mm，轮毂直径为39mm，叶片数为4。

图1 几何模型

2 结果分析

2.1 数值计算方法

为模拟轴流风机在不同导流罩的形状条件下风机的内部流场，采用四面体网格划分风机和导流罩部分[5]，采用六面体网格划分风机出口区域，进口边界设置在垂直于出口流动方向，出口边界设置在下游距风机出口1800mm处。流场模型采用稳态计算方法，采用标准k-ε模型进行湍流模拟，进出口边界条件采用压力进出口边界条件，采用SIMPLE算法进行压力速度耦合，采用一阶迎风格式求解三维控制方程，迭代次数为1000次，求解过程中残差达到10-3量级，且进出口的流量差小于0.1%认为收敛。

2.2 流场分析

2.2.1 导流罩的形状对风机内部流场影响

以形状因子Z作为无量纲参数，分析其对风机流场的影响，其中Z=S1/S2，S1为导流罩截面的面积，mm2；S2为风机截面的面积，mm2。

图2为不同形状因子Z下轴面内速度分布，在各种不同Z条件下，叶片边缘部分存在着速度较大的区域，且具有一定的速度梯度。其中当Z为0.59、0.6和0.76时，在导流罩的截面顶点处存在高速区，其范围较小但速度值相对最大；而当Z为0.77和0.88时，导流罩截面的边缘速度相对较低。

图2 不同形状因子Z下轴面内速度分布

图3为不同形状因子Z下风机吸力面内静压分布。当Z为0.59、0.76和0.77时，叶顶边缘存在着低压区，即叶顶间隙泄漏流区域；而当Z为0.88时，叶顶边缘亦有低压区，但其范围相对较小。当Z为0.6时，风机吸力面上的静压相对最大；而当Z为0.59时，风机吸力面上的静压相对最小。在不同的Z条件下，风机轮毂面上的静压大致相同。

图3 不同形状因子Z下风机吸力面内静压分布

2.2.2 不同导流罩的形状下风机性能分析

图4为不同形状因子下的风机静压、流量和效率的曲线比较。由图可知，当Z增大时，静压减小，流量和效率先减后增，最后降低；当Z为0.59时，静压、效率和流量相对最高分别为5.2Pa、61%和112m3/h；当Z为0.88时，静压、效率和流量相对最低分别为1.6Pa、27%和89m3/h。

图4 不同形状因子下的风机静压、流量和效率的曲线比较

图5为入口静压和入口湍流度与距流道入口距离的曲线比较。由图可知，对于同一个Z值，当距流道入口距离增加时，入口静压先增后减，最后上升；入口湍流度先缓慢上升，然后急剧增加。对于相同的距流道入口距离，当Z为0.59时，入口静压和入口湍流度相对最大；当Z为0.88时，入口静压和入口湍流度相对最小。当距流道入口距离为0.082m且Z为0.59时，入口静压最大为3.92Pa；当距流道入口距离为0.246m且Z为0.59时，入口湍流度最大为35%。

图5 入口静压和入口湍流度与距流道入口距离的曲线比较

图6为出口静压和出口湍流度与距导流罩出口端面距离的曲线比较。由图可知，对于同一个Z值，当距导流罩出口端面距离增加时，出口静压一直降低。当Z为0.59和0.6，距导流罩出口端面距离增加时，出口湍流度先减后增，然后下降；当Z为0.76，距导流罩出口端面距离增加时，出口湍流度先减后增；当Z为0.77和0.88，距导流罩出口端面距离增加时，出口湍流度先增后减。对于相同的距导流罩出口端面距离，当Z为0.59时，出口湍流度相对最大。当距导流罩出口端面距离为0.072～0.339m，且Z为0.59时，出口湍流度相对最大；当距导流罩出口端面距离为0.428～0.606m，且Z为0.76时，出口湍流度相对最大。对于相同的距导流罩出口端面距离，当Z为0.88时，出口静压和出口湍流度总体上相对最小。当距导流罩出口端面距离为0.072m且Z为0.59时，出口静压最大为4.2Pa；当距导流罩出口端面距离为0.072m且Z为0.59时，出口湍流度最大为53%。

图6 出口静压和出口湍流度与距导流罩出口端面距离的曲线比较

3 结论

不同形状因子Z下轴面内速度分布表明，在各种不同Z条件下，叶片边缘部分存在着速度较大的区域，且具有一定的速度梯度。由不同形状因子Z下风机吸力面内静压分布可知，当Z为0.6时，风机吸力面上的静压相对最大；而当Z为0.59时，风机吸力面上的静压相对最小。在不同的Z条件下，风机轮毂面上的静压大致相同。由不同形状因子下的风机静压、流量和效率的曲线比较可知，当Z为0.59时，静压、效率和流量相对最高分别为5.2Pa、61%和112m3/h。由入口静压和入口湍流度与距流道入口距离的曲线比较可得，当距流道入口距离为0.082m且Z为0.59时，入口静压最大为3.92Pa；当距流道入口距离为0.246m且Z为0.59时，入口湍流度最大为35%。由出口静压和出口湍流度与距导流罩出口端面距离的曲线比较可得到，当距导流罩出口端面距离为0.072m且Z为0.59时，出口静压最大为4.2Pa；当距导流罩出口端面距离为0.072m且Z为0.59时，出口湍流度最大为53%。