程 偉 屈?？?肖 金 蔡凱武

基于Flow Simulation的高風(fēng)壓離心式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

程 偉 屈福康 肖 金 蔡凱武

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院機(jī)電工程學(xué)部 廣州 511325）

離心式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與其徑向尺寸有著緊密的聯(lián)系，設(shè)計(jì)時(shí)如果要求結(jié)構(gòu)尺寸緊湊又要達(dá)到比較大的風(fēng)壓時(shí)會(huì)很難兼顧。設(shè)計(jì)過程嘗試了從改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)形狀和葉片的安裝角度來解決這一問題。通過氣動(dòng)力計(jì)算得到了葉片安裝的入口和出口角度及相關(guān)尺寸，最終采用了前向型葉輪結(jié)構(gòu)。依據(jù)計(jì)算的幾何參數(shù)借助Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件建立了風(fēng)機(jī)的幾何模型。最后利用軟件的Flow Simulation 模塊對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)壓和流速的數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果顯示選用的前向型葉片滿足了設(shè)計(jì)要求。

離心式風(fēng)機(jī)；風(fēng)壓；Flow Simulation；數(shù)值模擬

0 引言

離心式風(fēng)機(jī)相比較羅茨風(fēng)機(jī)有著效率高、能耗噪聲低、占用面積小、安裝維護(hù)簡單方便等許多優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛應(yīng)用。離心式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由由葉輪和機(jī)殼構(gòu)成。葉輪結(jié)構(gòu)根據(jù)葉片彎曲角度不同，分為前向式、后向式和徑向式三種，根據(jù)加工方法不同可以分為鉚接型、焊接型和整體型。機(jī)殼通常是用鑄鐵或者鑄鋼澆鑄而成。機(jī)殼主要目的是把葉輪后面的氣體匯集起來引到風(fēng)機(jī)出口處。同時(shí)也對(duì)氣流起到一定的降速擴(kuò)壓作用。離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓受葉輪葉片角度影響比較大，其他參數(shù)保持不變時(shí)，選用前向型葉片的風(fēng)機(jī)全壓系數(shù)要比后向和徑向型葉片風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)高，可以得到比較高的出口風(fēng)壓[1]。

本次設(shè)計(jì)的離心式風(fēng)機(jī)主要做爐灶吹風(fēng)用，由于安裝尺寸限制要求其結(jié)構(gòu)緊湊，但風(fēng)壓和風(fēng)量技術(shù)性能指標(biāo)卻相對(duì)要求較高，具體設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。本次設(shè)計(jì)離心式風(fēng)機(jī)嘗試采用前向型葉輪來滿足這一設(shè)計(jì)要求[2]。機(jī)殼結(jié)構(gòu)采用了圓筒形鍛鋼機(jī)殼，以承受高壓。

表1 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

1 離心式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

離心式風(fēng)機(jī)葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，里面的氣體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于風(fēng)機(jī)基座是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)。此時(shí)氣體質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度與葉輪的轉(zhuǎn)速切線方向的牽連速度、氣體對(duì)葉輪的相對(duì)速度在葉輪葉片入口和出口處的速度關(guān)系為：

（2）

連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程以及能量守恒方程是描述氣體流動(dòng)的最基本的控制方程組[3]。在穩(wěn)定流動(dòng)的管路系統(tǒng)中任意兩截面1、2的氣體質(zhì)量流量保持不變，即連續(xù)性方程：

由于離心式風(fēng)機(jī)中氣體基本沒有壓縮，位能變化也很小，所以其伯努力方程為：

式中，H為葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)氣體的做功，1、2為氣體進(jìn)出口截面上的氣流速度，12為風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的風(fēng)壓，h為氣體在風(fēng)際中的流動(dòng)損失。

風(fēng)機(jī)工作時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入給風(fēng)機(jī)的功率應(yīng)與氣體獲得功率相等，即風(fēng)機(jī)的能量方程為：

2 葉輪氣動(dòng)力計(jì)算

葉輪的葉片是離心式風(fēng)機(jī)向流體傳遞能量的重要零件，葉輪的氣動(dòng)力計(jì)算影響著設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)能否獲取理想的風(fēng)壓風(fēng)量。

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)形式的確定

依據(jù)表1中參數(shù)選用直接傳動(dòng)式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速：

由于計(jì)算比轉(zhuǎn)速n在40～65之間，采用單吸式葉輪結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 葉片出口角確定

由于爐灶吹風(fēng)機(jī)輸送氣流中會(huì)有灰塵，采用平板葉片有利于降低其磨損[5]，選擇葉片出口角

2.3 計(jì)算葉輪圓周速度u2

2.4 計(jì)算葉輪外徑D2

2.5 葉輪入口直徑D0及葉片入口直徑D1確定

2.6 葉輪入口速度c0確定

取0=0.93，計(jì)算葉輪入口速度：

2.7 葉片入口寬度b1確定

2.8 葉片入口角度的確定

為了增加風(fēng)機(jī)風(fēng)量，采用前向型葉片入口角度。入口角度可由葉片入口前的氣流角度來確定。一般前向型葉片的氣流角度比較大，一般在0.69～1.05rad。但葉片入口角度過大會(huì)造成葉道內(nèi)流體損失增加。綜合可選取葉片入口角度：

2.9 葉片數(shù)目Z確定

葉片數(shù)目一般由葉柵密度確定，為使流體在葉片上的摩擦損失達(dá)到最小，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可選取葉片數(shù)目=12。

2.10 計(jì)算葉片出口寬度b2確定

3 三維建模及模擬仿真分析

3.1 風(fēng)機(jī)三維幾何模型建立

圖2 風(fēng)機(jī)三維幾何模型圖

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)進(jìn)行的。如果風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式和性能指標(biāo)發(fā)生改變，以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式就不能準(zhǔn)確分析新機(jī)型的流場[6]。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，依據(jù)以上離心式風(fēng)機(jī)的參數(shù)計(jì)算結(jié)果在三維設(shè)計(jì)軟件中可方便快速地建模出該風(fēng)機(jī)虛擬模型。利用Solidworks軟件建立風(fēng)機(jī)模型圖如圖2所示。

3.2 風(fēng)機(jī)仿真模型建立及數(shù)值模擬分析

將此風(fēng)機(jī)模型利用Flow Simulation流體仿真模塊分析此風(fēng)機(jī)流速和風(fēng)機(jī)壓力[8,9]如下圖3，4所示。

圖3 風(fēng)機(jī)流速數(shù)值模擬分析圖

圖4 風(fēng)機(jī)壓力的仿真分析圖

從以上模擬分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：葉片在葉輪上的安裝角度對(duì)離心風(fēng)機(jī)有明顯影響。葉片選用前向型角度的葉片能使壓力沿葉片高度呈C型[10]分布，產(chǎn)生負(fù)壓力梯度，使得流體在葉片端部的流動(dòng)損失得以減少。出口處氣體流速=44.38m/s，最大風(fēng)壓=1.31×10-3MPa，大于設(shè)計(jì)要求的風(fēng)壓1.20×10-3MPa。

4 結(jié)論

本文依據(jù)離心式風(fēng)機(jī)風(fēng)壓技術(shù)參數(shù)要求進(jìn)行葉輪葉片的氣動(dòng)力計(jì)算，葉輪機(jī)殼主要尺寸的計(jì)算，選取了前向型的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)。采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配，并利用SolidWorks軟件的Flow Simulation CFD模塊對(duì)建好的模型進(jìn)行流速和風(fēng)壓的流體力學(xué)仿真分析。結(jié)果顯示前向型安裝葉片的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不增加離心式風(fēng)機(jī)徑向尺寸時(shí)可以提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，最終滿足了設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求。

[1] 張曉偉,楊愛玲,陳二云.離心風(fēng)機(jī)雙圓弧型線的氣動(dòng)特性研究[J].能源工程,2018,(1):7-11.

[2] TAE L Y, CHANG L H. Performance Assessment of Various Fan Ribs inside a Centrifugal Blower[J]. Energy, 2016,106(10):609-622.

[3] 孫長輝.離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2007.

[4] 商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5] 袁超.城市軌道交通工程電器設(shè)備用房下部送風(fēng)實(shí)際案例分析[J].制冷與空調(diào),2018,32(2):145-148.

[6] 鄧敬亮,楚武利.離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片氣動(dòng)優(yōu)化研究[J]. Fluid Machinery, 2013,(7):23-27.

[7] 李昭軍.離心風(fēng)機(jī)流場數(shù)值模擬研究[J].中州煤炭,2012, (12):17-18.

[8] 陳超祥,胡其登.SOLIDWORKS Flow Simulation教程（2015版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[9] 曾琪翔.基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論的公路隧道自然通風(fēng)數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2017,31(2):221-223.

[10] 張楠楨,唐豪.葉片扭轉(zhuǎn)角度對(duì)微型離心風(fēng)機(jī)性能的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2016,(9):49-54.

Design of Centrifugal Blower with Hight Wind Pressure Based on Flow Simulation

Cheng Wei Qu Fukang Xiao Jin Cai Kaiwu

( Department of Mechatronics Engineering, Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou, 511325 )

There is a close connection between the wind pressure and the radial size of the centrifugal blower. It is difficult to design a blower with larger wind pressure when it requires a compact structure. We try to solve this problem by improving impeller shape and the installation angle of blade during this design. The inlet angle, outlet angle and relative dimensions of the blade installation are obtained through aerodynamic calculation, and finally the forward impeller structure is adopted. According to the geometric parameters calculated, the geometric model of the blower is established in the 3D design software of Solidworks. Finally, the wind pressure and flow velocity are simulated and analyzed in the Flow Simulation module of the software. The results show that the forward blade selected meets the design requirements.

centrifugal blower; wind pressure; Flow Simulation; numerical simulation

TH442

B

1671-6612（2019）03-283-04

2016 廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2016KQNCX214）

程偉（1982.11-），男，碩士研究生，講師，E-mail：115416107@qq.com

2018-07-19