水力排煙風機葉片結構參數優化設計

潘洋洋，莊進標，林瑞霖

（1.海軍裝備部駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢430033）

0 引言

水力排煙風機因其具有性能穩定、風量大、防爆性能好、動力源充足（可利用消防水驅動）等特點，可被應用于艦船消防排煙等領域。然而當前水力排煙風機普遍存在壓力低、運行效率差等缺點。因此，有必要對其進行優化改進，以增大壓力、提高效率、減少資源浪費[1-2]。

風機葉片是整個排煙風機的重要組成部分，其設計良好與否直接決定了風機運行效能，因此對風機葉片部分進行優化研究有重要意義[3-4]。本文主要以某型水力排煙風機為研究對象，利用CFD軟件對該型水力風機進行數值模擬驗證分析，在此基礎上對風機葉片開展優化設計，采用數值模擬計算對優化前、后水力風機的性能參數進行對比分析，從而獲取優化方案。

1 建模及影響因素分析

1.1 水力風機建模

該水力風機為軸流風機，主要由水輪機和風機兩部分組成，水輪機作為動力模塊，將壓力水的壓力轉換為驅動風機葉輪旋轉的動能。因本文主要研究水力風機部分，考慮到水輪機位于風機輪轂之內，其內部的水流場和風機內部的空氣流場處于完全分隔狀態，并且水輪機結構較為復雜，在建模仿真中只對風機部分進行建模，水輪機在初始條件設置時通過給葉輪一個初始速度以代替。

對水力風機進行數值模擬前，根據測繪的參數在三維軟件UG 上對進行建模。

水力風機的主要結構參數如表1所示。風機葉片葉型為機翼型。

表1 水力風機結構參數表

根據表1中水力風機葉輪部分的結構參數，結合前期測繪數據，得到水力風機葉輪簡化幾何模型見圖1。

完成葉輪幾何模型建立后，需建立風機外殼實體模型，本文主要研究的是水力風機內部的氣流通道，因此在建模過程中將風機外殼簡化為圓柱體，而不考慮外殼上的附件及殼體厚度。圓柱體內減去風機葉輪結構剩下的空間便是研究所需的完整流域，圖2是在前處理器ICEM 顯示的水力風機內部計算流域模型圖。

圖1 風機葉輪幾何模型

圖2 水力風機內部計算流域圖

1.2 葉片結構影響因素分析

國內外學者關于葉片的結構優化作了大量研究，常見的研究對象包括葉片形狀、輪轂比、葉片數目和葉片安裝角。由于該風機葉片形狀不規則，研究難度較大，而輪轂比、葉片數目和葉片安裝角則較為容易控制，故本文主要基于原葉片，對輪轂比、葉片數目和葉片安裝角進行優化研究，以尋找最佳的參數組合。

輪轂比是風機輪轂直徑Dn與葉輪外徑Dt的比值，用υ表示。輪轂比對風機的性能參數有重要的影響，風機的全壓與輪轂比成正比，風機效率與輪轂比成反比[5]。輪轂比過大時，葉片會過短，氣體在葉片流道中流動損失增加，風機性能惡化，影響風機出口軸向尺寸；當輪轂比過小時，氣流容易在葉根部分發生分離現象。在實際設計中根據風機的需求不同如，輪轂比的選擇也不相同，通常對于風壓高、流量小的風機，選擇較大輪轂比；對于風壓低、流量大的風機，選擇較小輪轂比。

本風機的輪轂比為0.593，風機輪轂比的優化研究圍繞原有輪轂比進行，參照前期單因素仿真結果，選取0.55、0.593和0.65三種輪轂比進行設計研究，輪轂比設計保證風機外殼內徑大小不變即220 mm，葉頂間隙設為葉高的1%，3種輪轂比下的風機葉輪葉片結構參數如表2。

表2 不同輪轂比下風機相應結構參數

葉片數目是影響風機工作性能的重要參數之一，在一定范圍內風機的風壓和效率隨著葉片數目的增多而變大，主要是因為對空氣作功的的葉片個數增加，但如果葉片數過多，則會導致葉片稠密度增加，葉片間的空氣流道變窄，阻礙了空氣的流動，造成空氣流量變少[6]。

在軸流風機葉片的數目的選擇中可以參照相關經驗進行選擇，經驗表明在輪轂比處于0.5～0.7之間時，葉片數目N選擇范圍為6～10。

葉片安裝角反應了葉片相對葉輪的軸向安裝位置，是影響風機運行性能的重要結構因素[7]。隨著葉片安裝角的變大，風機葉片的迎風面變大，葉片負荷也隨之增大，風機運行噪聲變大，過大的葉片安裝角也會導致風機葉頂間隙變大，從而導致風機運行性能下降。當葉片安裝角過小時，雖然葉片所受的負荷變小，但是風機的壓力、流量和效率等性能卻也會隨之變小。

2 正交試驗設計

如前文介紹，風機葉片的優化設計受多個結構參數的影響。為確定風機葉片各參數對風機性能影響的主次順序，得到最佳組合方式，需要對不同參數組合的方案進行仿真試驗分析。若對輪轂比、葉片數目和葉片安裝角進行3因素3水平的優化篩選，則需要進行33=27次仿真試驗。這樣不僅耗時費力，而且嚴重影響研究進度。運用正交設計[8]的方法可以較好地解決這一問題，在提高效率的同時得到優化方案。

2.1 正交試驗方案設計

正交設計的基本方法是選用對試驗結果具有重要意義的典型因素來獲得對整體可靠的結論。而正交表的設計是獲得可靠合理、具有代表性因素的關鍵。正交表應具有以下兩個特點：一是同一列中不同水平數出現次數相等，二是任意2個不同水平的匹配數目要相同。正交表型號一般用Ln(qm)來表示，其中L表示正交表，n為試驗次數，q為水平數目，m為因素數目。

在本次正交設計中，參照前期單因素仿真結果，每個因素下選取3個具有代表性的水平，從而形成表3所示因素水平表。

表3 因素水平表

由因素水平個數可知本次正交試驗應選用L9(34)正交表。在正交設計中，常在表中留出空白列已避免夸大效應，減少誤差。但由于仿真試驗能避免儀器自身及操作不當產生的誤差，且從提高效率的角度出發，本正交試驗表沒有進行空白列設計。詳細試驗方案如表4 所示。

表4 正交試驗表

2.2 仿真設置

流域模型主要包含2 部分，一部分是有葉片的轉動區域，另一部分是則為葉片到出口面的出口區域，網格劃分時分別針對每個部分進行單獨劃分，對轉動區域和出口區域的關鍵部位進行網格加密處理。轉動區域和出口區域由交界面連接，便于在CFD后處理軟件CFX 中對兩個流域進行組合。利用ICEM軟件對轉動區域進行網格劃分見圖3，出口區域網格劃分見圖4。

圖3 葉輪網格結構圖

圖4 出口區域網格結構圖

將網格文件導入到CFX中，在DOMAIN 中分別定義出口、進口、壁面等參數，其中轉動區域選擇轉動類型，轉動速度參考試驗中的實際轉速；出口區域則為靜止區域。轉動區域的末端面和出口區域的進端面通過交界面處理，使水力風機形成一個完整流域，保證數據傳遞。

3 仿真結果分析

因為本文研究的是在給定進水壓力下水力風機性能，可認為水輪機提供給風機一個固定功率，該功率可用水力風機的轉速和轉矩進行表示，因此水力風機性能研究可表現為風機在一定初始轉速下其壓力與流量的變化。工作介質選用標況下空氣，操作壓力為大氣壓，采用標準 模型對控制方程進行封閉。

進口設置質量進口，進口質量根據試驗風量進行換算。

出口類型為Opening，選用壓力出口，壓力設為0。

壁面采用無滑移邊界，釆用標準壁面函數法處理近壁區。

完成邊界條件的設置后，進行求解器設定，采用基于壓力基求解器，完成分離求解和耦合求解之間的轉換；采用二階隱式格式進行時間離散；采用SIMPLE 算法，完成壓力變量和速度變量的分離求解。

3.1 試驗結果

仿真試驗結果中，9組數據中，風機的全壓效率隨著葉片數目和輪轂比的增大呈現先增大后減小的趨勢，這是由于初始葉片數目少、輪轂比小，導致葉片對氣流作功少，葉片根部氣流分離，隨著葉片數目和輪轂比增加較大時，葉片數目又因為較為稠密，葉片過短氣流在流道中能耗損失增加。此外根據計算得到的軸功率發現，在設定的初始轉速情況下，風機軸功率雖然有較小的波動，但基本保持不變，從而也驗證了以風機初始轉速替代風機初始驅動功率的可行性。水力風機在第5組葉片結構參數優化組合中全壓有效功率最大，但是不能由此確定A2B2C3為最優組合，為了進一步得到最優的組合方案，還需要進行極差分析。

表5 仿真試驗結果

3.2 試驗結果極差分析

對表5全壓有效功率進行極差分析，可得表6。

表6中，Ki（i＝1～3）分別表示各因素在不同水平下的試驗平均值，R 表示相應的極差，即因素各水平最大均值與最小均值之差，見式（1）

極差越大，則該因素對風機性能的影響就越大。由此可以得出各因素對風機性能影響程度排序為A＞B＞C，從而可以得到最終優化方案為A2B2C3。

表6 極差分析表

由此，最佳組合為葉片數7、輪轂比0.593、葉片安裝角40°，與前文確定的最佳組合一致。參考正交試驗結果，可以發現原有水力風機的葉片數目和輪轂比選擇相較而言已經處于相對最佳的設計狀態，而風機葉片的安裝角度可以進一步優化為40°。優化前后風機的結構參數和性能對比見表7。

據表7可知，優化改進后風機全壓提高了7.9%，風機流量提高了7.3%，全壓有效功率提高了15.9%，風機全壓效率提高12%左右，由此說明對葉片進行結構改進取得了較好的效果。

表7 優化前后風機性能對比表

4 結論

本文以某型水力排煙風機為研究對象，對風機葉片的主要結構參數進行了分析，選取了葉片數、輪轂比和葉片安裝角3個重要因素，通過正交試驗確定了葉片結構參數對風機性能影響的主次順序為葉片數目、輪轂比和安裝角。最終獲取了葉片數目為7、輪轂比為0.593、葉片安裝角為40°的優化設計方案，優化后的風機性能得到了較為明顯的提升。

本文的研究內容可以在風機設計中作為參考，可以依據相似理論應用到其他軸流風機性能的優化設計上。對于風機葉片的優化研究，除本文進行選取的參數外，還可以通過對其他因素的研究以獲得更佳的設計方案。