軸流風機氣動性能模擬及實驗驗證

陳文樸，蘇 偉，鄭文鵬，陳 寶

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

軸流風機具有優(yōu)良的通風換氣特性，其在工業(yè)和生活中應用廣泛。由于風機應用場景豐富，針對不同工況需要設計多種不同的風機與對應的要求匹配。另外，在工程應用中對風機的設計周期和性能有嚴格的要求，而風機的設計需要反復修改和驗證，因此有必要針對軸流風機建立從一維設計參數(shù)到三維實驗驗證的完整設計流程，實現(xiàn)風機葉輪從設計到生產應用的快速過渡。

在軸流風機葉輪的傳統(tǒng)設計方法中，通常僅從氣動設計的角度考慮，因此在選定翼型后，為了使風機獲得較高的全壓效率，翼型在最大升阻比附近選擇升力系數(shù)，并根據升力系數(shù)確定翼型沖角[1-3]。然而，這種方法未考慮到葉輪與電機是否相互匹配，葉輪通過轉動對空氣做功，其轉速越快所需要轉矩越大，而電機特性是轉速與轉矩成反比，如果電機提供的轉矩達不到葉輪額定轉速下的轉矩，葉輪將降低轉速與電機形成新的平衡。這也導致應用時風機風量、風壓等指標低于設計需求。

本文提出變沖角分布策略，意為葉片各基元級的翼型采用不同的沖角角度。葉片各級沿徑向以一定幾何規(guī)律分布，但各級對空氣流動的做功能力不同，因此合理地改進翼型沖角分布，即能使葉輪滿足氣動要求，同時能夠與電機性能匹配，以達到提升風機性能的目的。

1 風機氣動設計

1.1 風機設計基礎理論

葉輪的氣動設計采用正向優(yōu)化設計方法，基于給定的約束條件，設計流程如圖 1所示，通過一維設計獲得葉片各截面幾何參數(shù)，建立葉輪模型后采用CFD模擬其氣動特性。并通過三維打印技術加工獲得葉輪實物，結合實驗進一步驗證設計是否達到實際應用的要求。

圖1 葉輪氣動設計流程

軸流風機的氣動設計通常采用二維理想流動理論[3]。風機的設計參數(shù)根據其實際工作要求確定，包括風量Q、風壓P、葉輪外徑Dt、轉速n及空氣密度ρ等。同時根據經驗公式選取輪轂比ν、變環(huán)量系數(shù)δ、效率系數(shù)η及升力系數(shù)Cy等設計參數(shù)。根據上述參數(shù)計算獲得葉片的幾何參數(shù)，建立葉片的三維模型。

為便于研究，通常將同一半徑處的環(huán)形葉柵展開視作平面葉柵。任意半徑上葉片基元級的速度三角形如圖 2所示，假定葉輪進出口處的氣流均勻分布。

圖2 基元級速度三角形

根據歐拉透平方程[4]，軸流風機葉輪對空氣的做功能力如下式：

P=ρ(u2c2u-u1c1u)=ρuΔcu

(1)

式中：P為全壓；u為圓周速度；Δcu為空氣流經葉片前后產生的扭速。

根據設計要求，確定葉輪外徑Dt，則圓周速度：

ut=πDtn/60

(2)

式中：Dt為葉輪外徑；n為轉速；ut為葉頂圓周速度。

風機比轉速：

ns=nQ0.5/P0.75

(3)

式中：ns為比轉速；Q為風量。

風機輪轂尺寸：

Dh=Dtν

(4)

式中：ν為輪轂比，根據比轉速查表獲得；Dh為葉輪內徑。

根據葉輪尺寸及風量，確定軸向速度：

(5)

式中：cz為軸向速度。

平均半徑：

(6)

式中：rm為平均半徑。

平均半徑處扭速：

(7)

式中：Δcum為平均半徑扭速；um為平均半徑處圓周速度；η為風機流動效率。

任意截面扭速分布規(guī)律如下式：

(8)

式中：δ為變環(huán)量系數(shù)；r為任意截面半徑。

(9)

相對氣流角：

(10)

式中：βm為氣流葉片的相對角度。

葉片弦長：

(11)

式中：l為葉片弦長；cy為升力系數(shù)；z為葉片數(shù)，根據輪轂比查表選定；ω=2ut/Dt為葉片轉速。

葉型安裝角：

θ=βm+α

(12)

式中：θ為葉型的安裝角；α為沖角，根據翼型特性曲線選定。

(2)提高鉆研業(yè)務的能力。圍繞財產行為稅重點工作和最新改革立法內容，通過抓好綜合、專業(yè)相結合的業(yè)務培訓，及時更新干部業(yè)務知識，拓寬干部知識面。通過將理論與實踐相結合的方式，不斷提升干部發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的專業(yè)能力。

1.2 參數(shù)化設計及建模

根據設計需要，風機需滿足：機殼外形尺寸92 mm×92 mm×25.4 mm，葉輪外徑86.5 mm，輪轂比約0.69，最大風量超過53.1 m3/h，最大靜壓超過45 Pa，輸入功率小于11 W，額定轉速為2 650 r/min。

由于運動過程中葉輪自葉根向葉尖各截面的圓周速度線性增加，所以設計過程時將葉片沿徑向等分為5個圓周截面，各截面幾何參數(shù)呈一定規(guī)律變化。根據上文公式，結合設計需求，葉片各截面幾何參數(shù)的計算結果如表1所示，葉輪與空氣的相對速度沿徑向增加，因此兩者的相對氣流角沿徑向減小。

表1 葉片幾何參數(shù)

葉輪1和葉輪2分別采用兩種沖角分布策略，根據沖角和相對氣流角計算獲得安裝角，具體值如表 2所示。

表2 葉輪沖角及安裝角分布

選用NACA65-010翼型為基準翼型，翼型的彎度分布由中弧線的形狀決定。本文采用常見的拋物線形式生成翼型中弧線，其方程[4]：

(13)

(14)

(15)

圖3 翼型中弧線示意圖

確定葉片各截面基元級后，通過徑向堆積實現(xiàn)葉片成型[5]。風機葉輪造型如圖 4所示。

圖4 葉輪三維模型

1.3 氣動仿真

為建立風機流場的三維計算域，實現(xiàn)氣動仿真，需將風機的工程設計參數(shù)轉化為風機的數(shù)值模型[6]。軸流風機的氣動數(shù)值模型包括三部分，依次為進口段、風輪段和出口段，如圖5所示。進口段和出口段位于風輪段的兩側，模擬空氣流過風機時空氣在流道中充分發(fā)展的狀態(tài)；而風輪段模擬了空氣流過風機的狀態(tài)。由于整個模型為多運動參考系模型，其中進口段和出口段參考笛卡爾坐標系，設置為靜止域；風輪段參考旋轉坐標系，設置為旋轉域。

圖5 風機數(shù)值模型

不同域之間的網格不直接相連，各求解域之間采用interface交界面進行數(shù)據傳遞。由于設計的風機風速較低，因此采用不可壓縮氣體模型，湍流模型選用標準k-ε模型，壓力求解器采用SIMPLE算法求解控制方程[7]。模型的邊界條件設置：入口為壓力進口；出口為壓力出口；葉輪壁面為轉動無滑移壁面。

仿真獲得風輪的氣動性能，葉輪的入口流速如圖 6所示。兩者的趨勢接近，葉輪外圓即葉尖處流速大，內圓靠近輪轂處流速小，并且兩者的最大風速皆為14.5 m/s。

圖6 葉輪入口流速圖

對比兩個葉輪的風量、風壓及扭矩，兩者的仿真結果如表 3所示。葉輪2較葉輪1，在風量、風壓和扭矩上都有下降，風量的下降比例為0.87%，靜壓的下降比例為0.9%，扭矩的下降比例為7.25%，說明采用變沖角設計策略能在基本不影響風量、風壓性能的基礎上，顯著降低扭矩，意味著電機負載降低。

表3 葉輪仿真氣動特性結果

2 風機氣動性能測試

2.1 風機氣動性能實驗裝置

風機氣動性能的核心是滿足風量和風壓的要求，通過CFD數(shù)值仿真能預估風機性能，初步預測該設計能否滿足技術要求。但在數(shù)值仿真過程中，為減少計算量，會對數(shù)值模型進行一定的簡化，如忽略機殼倒角及機殼連接輪轂的筋，這導致仿真計算結果與風機的實際情況存在一定的誤差。因此還需要采用風機性能測試裝置對風機進行實驗測試，其目的是獲得確實可靠的風機性能，進一步確保風機的氣動性能滿足設計需求，為后續(xù)葉輪的制造加工提供有力支撐。

風機氣動性能測試裝置是指在實驗條件下為測試風機氣動性能而設計的一套實驗裝置[8]。由于小型軸流風機的風量風壓相對較低，實驗中風機因無法克服管道阻力而在小流量區(qū)運行，無法獲得完整的性能數(shù)據，所以實驗裝置采用風室測試法，并配有輔助風機協(xié)助測試風機克服管道沿程阻力[9]。

根據GB/T 1236—2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》標準，風機測試系統(tǒng)有四種類型。軸流風機自由進氣，管道排氣，且本風機尺寸較小，因此采用B型測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是自由進口，管道出口。圖 7為軸流風機B型性能試驗系統(tǒng)的結構示意圖。該實驗裝置的風管部分包括實驗風機、輔助風機、整流柵板、靜壓測孔、節(jié)流孔板、輔助接頭、風門調節(jié)器；控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)包括變頻控制器、功率測試儀、光敏轉速探頭、壓力變送器、溫濕度傳感器、工控機和采集主機[8]。

圖7 軸流風機B型出氣性能實驗系統(tǒng)的結構示意

2.2 實驗結果分析

通過三維打印技術獲得葉輪的實物模型，如圖8所示。將葉輪安裝在對應電機上，通過風機氣動性能實驗裝置分別獲得2個葉輪的風量、風壓等數(shù)據，如表 4和表5所示。

圖8 葉輪實物模型

表4 葉輪1實驗數(shù)據

表5 葉輪2實驗數(shù)據

2個葉輪在相同風量下所能產生的靜壓，如圖9所示。葉輪2的靜壓高于葉輪1，說明在相同風量下，葉輪2能克服更大阻力。Q-n曲線如圖 10所示。葉輪2的轉速高于葉輪1，這是由于葉輪2的扭矩小于葉輪1，而電機的轉速與扭矩成反比，因此葉輪2轉速上升后與電機形成新的平衡。η-Q曲線如圖 11所示。葉輪2的效率高于葉輪1，說明本文的優(yōu)化設計是有效的。考慮到葉片根部與輪轂連接，轉速較低，且流過輪轂的空氣因受粘性剪切力作用，導致流速降低，葉輪的葉根段對空氣的做功能力較低，因此降低該處沖角能減小因流動分離而造成的損失，對整體氣動性能的影響有限，但能降低葉輪扭矩。同時，葉尖處依舊根據最佳升阻比選定沖角，葉尖處流速快，是葉輪對空氣做功的主要區(qū)域，這樣有助于葉輪在氣動效率高點運行。

圖9 風機靜壓與風量特性曲線

圖10 風機轉速與風量特性曲線

圖11 風機效率與風量特性曲線

3 結 語

根據需要，采用兩種沖角分布策略設計了風機葉輪，通過對葉輪進行氣動仿真和實驗驗證，獲得以下結論：

(1)變沖角葉輪能在少量降低風量、風壓的情況下，較大地降低葉輪在額定轉速下所需要的扭矩，扭矩下降比例為7.25%。

(2)葉片根部對空氣做功能力較弱，降低該處沖角角度，能有效調節(jié)葉輪扭矩，控制葉輪與電機的匹配關系。

(3)變沖角葉輪的整體性能優(yōu)于單一沖角葉輪，安裝在電機后，變沖角葉輪的風量、風壓及效率均高于單一沖角葉輪。