轴流风机气动性能模拟及实验验证

2022-03-02陈文朴郑文鹏

微特电机 2022年2期

陈文朴，苏伟，郑文鹏，陈宝

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引言

轴流风机具有优良的通风换气特性，其在工业和生活中应用广泛。由于风机应用场景丰富，针对不同工况需要设计多种不同的风机与对应的要求匹配。另外，在工程应用中对风机的设计周期和性能有严格的要求，而风机的设计需要反复修改和验证，因此有必要针对轴流风机建立从一维设计参数到三维实验验证的完整设计流程，实现风机叶轮从设计到生产应用的快速过渡。

在轴流风机叶轮的传统设计方法中，通常仅从气动设计的角度考虑，因此在选定翼型后，为了使风机获得较高的全压效率，翼型在最大升阻比附近选择升力系数，并根据升力系数确定翼型冲角[1-3]。然而，这种方法未考虑到叶轮与电机是否相互匹配，叶轮通过转动对空气做功，其转速越快所需要转矩越大，而电机特性是转速与转矩成反比，如果电机提供的转矩达不到叶轮额定转速下的转矩，叶轮将降低转速与电机形成新的平衡。这也导致应用时风机风量、风压等指标低于设计需求。

本文提出变冲角分布策略，意为叶片各基元级的翼型采用不同的冲角角度。叶片各级沿径向以一定几何规律分布，但各级对空气流动的做功能力不同，因此合理地改进翼型冲角分布，即能使叶轮满足气动要求，同时能够与电机性能匹配，以达到提升风机性能的目的。

1 风机气动设计

1.1 风机设计基础理论

叶轮的气动设计采用正向优化设计方法，基于给定的约束条件，设计流程如图 1所示，通过一维设计获得叶片各截面几何参数，建立叶轮模型后采用CFD模拟其气动特性。并通过三维打印技术加工获得叶轮实物，结合实验进一步验证设计是否达到实际应用的要求。

图1 叶轮气动设计流程

轴流风机的气动设计通常采用二维理想流动理论[3]。风机的设计参数根据其实际工作要求确定，包括风量Q、风压P、叶轮外径Dt、转速n及空气密度ρ等。同时根据经验公式选取轮毂比ν、变环量系数δ、效率系数η及升力系数Cy等设计参数。根据上述参数计算获得叶片的几何参数，建立叶片的三维模型。

为便于研究，通常将同一半径处的环形叶栅展开视作平面叶栅。任意半径上叶片基元级的速度三角形如图 2所示，假定叶轮进出口处的气流均匀分布。

图2 基元级速度三角形

根据欧拉透平方程[4]，轴流风机叶轮对空气的做功能力如下式：

P=ρ(u2c2u-u1c1u)=ρuΔcu

(1)

式中：P为全压；u为圆周速度；Δcu为空气流经叶片前后产生的扭速。

根据设计要求，确定叶轮外径Dt，则圆周速度：

ut=πDtn/60

(2)

式中：Dt为叶轮外径；n为转速；ut为叶顶圆周速度。

风机比转速：

ns=nQ0.5/P0.75

(3)

式中：ns为比转速；Q为风量。

风机轮毂尺寸：

Dh=Dtν

(4)

式中：ν为轮毂比，根据比转速查表获得；Dh为叶轮内径。

根据叶轮尺寸及风量，确定轴向速度：

(5)

式中：cz为轴向速度。

平均半径：

(6)

式中：rm为平均半径。

平均半径处扭速：

(7)

式中：Δcum为平均半径扭速；um为平均半径处圆周速度；η为风机流动效率。

任意截面扭速分布规律如下式：

(8)

式中：δ为变环量系数；r为任意截面半径。

(9)

相对气流角：

(10)

式中：βm为气流叶片的相对角度。

叶片弦长：

(11)

式中：l为叶片弦长；cy为升力系数；z为叶片数，根据轮毂比查表选定；ω=2ut/Dt为叶片转速。

叶型安装角：

θ=βm+α

(12)

式中：θ为叶型的安装角；α为冲角，根据翼型特性曲线选定。

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1.2 参数化设计及建模

根据设计需要，风机需满足：机壳外形尺寸92 mm×92 mm×25.4 mm，叶轮外径86.5 mm，轮毂比约0.69，最大风量超过53.1 m3/h，最大静压超过45 Pa，输入功率小于11 W，额定转速为2 650 r/min。

由于运动过程中叶轮自叶根向叶尖各截面的圆周速度线性增加，所以设计过程时将叶片沿径向等分为5个圆周截面，各截面几何参数呈一定规律变化。根据上文公式，结合设计需求，叶片各截面几何参数的计算结果如表1所示，叶轮与空气的相对速度沿径向增加，因此两者的相对气流角沿径向减小。

表1 叶片几何参数

叶轮1和叶轮2分别采用两种冲角分布策略，根据冲角和相对气流角计算获得安装角，具体值如表 2所示。

表2 叶轮冲角及安装角分布

选用NACA65-010翼型为基准翼型，翼型的弯度分布由中弧线的形状决定。本文采用常见的抛物线形式生成翼型中弧线，其方程[4]：

(13)

(14)

(15)

图3 翼型中弧线示意图

确定叶片各截面基元级后，通过径向堆积实现叶片成型[5]。风机叶轮造型如图 4所示。

图4 叶轮三维模型

1.3 气动仿真

为建立风机流场的三维计算域，实现气动仿真，需将风机的工程设计参数转化为风机的数值模型[6]。轴流风机的气动数值模型包括三部分，依次为进口段、风轮段和出口段，如图5所示。进口段和出口段位于风轮段的两侧，模拟空气流过风机时空气在流道中充分发展的状态；而风轮段模拟了空气流过风机的状态。由于整个模型为多运动参考系模型，其中进口段和出口段参考笛卡尔坐标系，设置为静止域；风轮段参考旋转坐标系，设置为旋转域。

图5 风机数值模型

不同域之间的网格不直接相连，各求解域之间采用interface交界面进行数据传递。由于设计的风机风速较低，因此采用不可压缩气体模型，湍流模型选用标准k-ε模型，压力求解器采用SIMPLE算法求解控制方程[7]。模型的边界条件设置：入口为压力进口；出口为压力出口；叶轮壁面为转动无滑移壁面。

仿真获得风轮的气动性能，叶轮的入口流速如图 6所示。两者的趋势接近，叶轮外圆即叶尖处流速大，内圆靠近轮毂处流速小，并且两者的最大风速皆为14.5 m/s。

图6 叶轮入口流速图

对比两个叶轮的风量、风压及扭矩，两者的仿真结果如表 3所示。叶轮2较叶轮1，在风量、风压和扭矩上都有下降，风量的下降比例为0.87%，静压的下降比例为0.9%，扭矩的下降比例为7.25%，说明采用变冲角设计策略能在基本不影响风量、风压性能的基础上，显著降低扭矩，意味着电机负载降低。

表3 叶轮仿真气动特性结果

2 风机气动性能测试

2.1 风机气动性能实验装置

风机气动性能的核心是满足风量和风压的要求，通过CFD数值仿真能预估风机性能，初步预测该设计能否满足技术要求。但在数值仿真过程中，为减少计算量，会对数值模型进行一定的简化，如忽略机壳倒角及机壳连接轮毂的筋，这导致仿真计算结果与风机的实际情况存在一定的误差。因此还需要采用风机性能测试装置对风机进行实验测试，其目的是获得确实可靠的风机性能，进一步确保风机的气动性能满足设计需求，为后续叶轮的制造加工提供有力支撑。

风机气动性能测试装置是指在实验条件下为测试风机气动性能而设计的一套实验装置[8]。由于小型轴流风机的风量风压相对较低，实验中风机因无法克服管道阻力而在小流量区运行，无法获得完整的性能数据，所以实验装置采用风室测试法，并配有辅助风机协助测试风机克服管道沿程阻力[9]。

根据GB/T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》标准，风机测试系统有四种类型。轴流风机自由进气，管道排气，且本风机尺寸较小，因此采用B型测试系统，该系统的特点是自由进口，管道出口。图 7为轴流风机B型性能试验系统的结构示意图。该实验装置的风管部分包括实验风机、辅助风机、整流栅板、静压测孔、节流孔板、辅助接头、风门调节器；控制系统和采集系统包括变频控制器、功率测试仪、光敏转速探头、压力变送器、温湿度传感器、工控机和采集主机[8]。

图7 轴流风机B型出气性能实验系统的结构示意

2.2 实验结果分析

通过三维打印技术获得叶轮的实物模型，如图8所示。将叶轮安装在对应电机上，通过风机气动性能实验装置分别获得2个叶轮的风量、风压等数据，如表 4和表5所示。

图8 叶轮实物模型

表4 叶轮1实验数据

表5 叶轮2实验数据

2个叶轮在相同风量下所能产生的静压，如图9所示。叶轮2的静压高于叶轮1，说明在相同风量下，叶轮2能克服更大阻力。Q-n曲线如图 10所示。叶轮2的转速高于叶轮1，这是由于叶轮2的扭矩小于叶轮1，而电机的转速与扭矩成反比，因此叶轮2转速上升后与电机形成新的平衡。η-Q曲线如图 11所示。叶轮2的效率高于叶轮1，说明本文的优化设计是有效的。考虑到叶片根部与轮毂连接，转速较低，且流过轮毂的空气因受粘性剪切力作用，导致流速降低，叶轮的叶根段对空气的做功能力较低，因此降低该处冲角能减小因流动分离而造成的损失，对整体气动性能的影响有限，但能降低叶轮扭矩。同时，叶尖处依旧根据最佳升阻比选定冲角，叶尖处流速快，是叶轮对空气做功的主要区域，这样有助于叶轮在气动效率高点运行。