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紧凑结构下高效离心风机的设计方法
Abstract
摘要：本文阐述了一种紧凑结构下高效离心风机的设计方法。给出了几个关键参数的确定准则；利用Concepts NREC设计软件快速完成子午流道优化；采用弓形进口的设计，优化了风机进口，达到了在紧凑结构下完成高效离心风机的设计目的。
关键词：紧凑结构；离心风机；子午流道优化；弓形进口中图分类号：TH432 文献标志码：A
Design Method for High Efficiency Centrifugal Fan with Compact Structure
Abstract: A design method for high efficient centrifugal fan with compact structure was shown in this paper. To achieve this goal, the rules to choose key parameters were given, the meridian channel was agilely optimized by Concepts NREC engineering design system, and the inlet was optimized by applying bowing structure.
Key words: compact structure; centrifugal fan; optimizing of meridian channel; bowing inlet
0 引言
目前，随着柴油机技术日新月异的发展，其运载车辆动力装置的功率和功率密度不断提高，散热量也随之增大，但是允许布置冷却系统的空间却受一定限制。对于其中的关键部件冷却风机，需要具有更加紧凑的结构和更优异的气动性能。当进排气风道呈90°时，离心式风机无疑是一种很好的选择。对于这种大流量高压头的特种风机，需要根据其结构特点和流动特性开展针对性的设计。
1 设计参数及说明
对于紧凑结构下的离心风机，首要考虑的就是在有限的空间结构下产生足够高的静压升和风量，某风机具体的参数如下：转速n≤3 600r/min，轴向长度≤170mm，最大外径D2≤570mm，风量Q≥4.2m3/s，静压ps≥4 000Pa，功耗N≤25kW。
可以看出，设计参数要求该离心风机在比较高的转速下工作，而一般的车用散热风机的转速都不超过3 000r/min，这就对风机叶轮的可靠性提出了比较高的要求。对于风机领域来说，离心风机普遍静压头较高，而风量较低[1] ，在严格限定了空间结构的情况下，对于这样大风量高压头的设计要求，普通的离心风机设计方法是难以满足要求的。本文采用了Concepts NREC设计软件，从一维设计到三维造型，从数值模拟到试验验证，完成了整个离心风机的设计过程。
2 离心风机主要参数的确定
利用FANPAL模块进行一维气动设计，在输入相关设计参数后，可以迅速完成离心风机叶轮主要参数的确定，同时利用软件内嵌的经验公式和损失模型[2-3]对风机气动性能进行预测。
其中需要关注几个关键参数的确定如下：
1） 后弯角βb2的选择
离心风机一般采用前弯、径向、后弯这三种叶片形式[4] ，相同条件下，压头渐减，效率递增，叶片载荷随之增大。因此，在有功耗限制的条件下适宜采用后弯叶片，同时兼顾考虑叶片载荷的分布。可以通过Axcent模块中的流线曲率法计算确定后弯角βb2，在可靠性和气动性能之间选取合理的平衡点。
2） 叶轮进口直径D0的确定
一般来说，确定叶轮进口直径D0的原则是使叶轮内的流动损失最小，因此离心风机普遍采用径向进气，如图1（a），其特点是进口气动损失小，气动效率较高，工作点风量偏低。根据设计要求，宜采用完全轴向进气如图1（b），大进口轴向进气可保证大风量高压头的需求，但气动损失较大，气流在进口的径向速度梯度较大，比较容易产生分离，同时在狭窄子午流道中气流方向的剧烈折转也很容易产生分离损失。对紧凑性和气动效率的矛盾，必须通过子午流道优化来加以解决。
3） 叶片数Z的选择
叶片数目多，流道中的旋涡损失较少，摩擦损失增大；叶片数目少，旋涡损失增大，摩擦损失减少，理论存在流动损失最小的最佳叶片数。而目前多种定义选择叶片数的经验公式和计算法则[1，5] ，受叶轮工作状态、叶轮结构、气动环境等影响，对本文设计的特殊结构的离心风机并不适用。这里利用FANPAL中的Design Helper模块进行多目标优化，对叶片数合理选择。
3 离心风机叶轮三维造型
在FANPAL模块中完成一维设计之后可以直接将叶轮的参数导入Axcent模块中进行三维构型，这也是整个设计环节中最为关键的一步。三维构型的实现主要按以下步骤进行：
1） 子午流道优化
主参数导入Axcent模块中会自动生成三维叶型，如前文所述，紧凑结构下会产生比较大的气动损失，因此需对子午流道的型线进行优化，国内外的很多研究都提供了不同的轮盘轮盖的优化方法[6-7] ，但对于这种特殊结构的离心风机同样不适用，由于Axcent模块可轻易实现子午流道型线的调整（如图2），并将驱动调节点前后的不同状态对比及时显示到相应的计算结果曲线图中，实现了可视化的子午流道设计，在可视化界面中实现过去繁复的优化计算过程。通过子午流道的优化，可最大程度地降低气流在流道中的速度梯度，有效地抑制分离，优化叶片通道中的压力分布，从而提高整体离心风机的效率。
2） 流线曲率性能计算及三维造型
Concepts NREC软件一个强大的功能就是利用流线曲率法对三维成型的叶轮进行快速的流场分析，得出叶片表面的速度分布，从而分析出叶片的气动载荷。根据气动载荷的分布可以调整叶片的厚度、积叠方式、后弯角等关键参数，使其载荷保持在合理的范围内，一方面提高了整个叶轮高转速状态下工作的可靠性，另一方面改善了流场的流动状态，提升了气动效率，图3显示的是利用流线曲率法的计算结果及三维效果。
3） 弓形进口造型技术
Axcent模块可以方便地实现叶片的弯、扭、掠等高难度的复杂造型。如前文所述紧凑结构下的轴向进气带来的是较大的进口速度梯度，采用弓形进口可有效地改善这一问题。从图4、图5显示的进口截面CFD计算结果——相对马赫数分布，可以看出在采用弓形进口后速度分布更加平滑，没有产生太大的梯度，从整体的CFD计算结果显示，相同流量下，采用弓形进口会比不采用弓形进口的静压升增加3.9%。
4 离心风机三维CFD计算
在完成三维造型后，Concepts NREC的Pushbutton模块可帮助设计者快速进行三维流场的CFD计算，自动生成的H型网格如图6，边界条件、湍流模型及计算格式等相关CFD计算参数都由程序自动设定，设计者可根据实际需要适当修改。
图7和图8分别显示S1和S2流面的静压分布情况及速度矢量，可以看出在经过三维造型优化后，流场的流动状态得到了改善，速度分布更为平滑，没有出现大的逆压梯度，有效地抑制了分离，说明设计取得了比较理想的结果。
5 离心风机试验
图9给出的是样机的3 500r/min气动性能试验曲线与NREC软件计算的性能曲线。从试验结果可以看出，样机在工作点的参数达到了设计要求，并与理论计算结果吻合较好。
6 结论
1） 本文给出的紧凑结构下高效离心风机设计中几个关键参数的确定准则以及利用Concepts NREC设计软件实现这些参数确定的方法是行之有效的；
2） 可视化设计方法迅速实现子午流道的优化；
3） 采用弓形进口的设计，有效改善风机的性能；
4） 通过CFD仿真和气动性能试验，证明了该设计方法的可行性和实用性。参 考 文 献
[1] 商景泰.通风机实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] J.H.G. Howard and C.Osborne.A Centrifugal Compressor Flow Analysis Employing a Jet-Wake Passage Flow Model[J].Journal of Fluid Engineering, March 1977：141-147.
[3] J.H.G. Howard and C.Osborne.A Rapid Aerodynamic Loading Procedure for Centrifugal Impeller Design[C].ASME 94-GT-148.
[4] 李庆宜.通风机[M].北京：机械工业出版社，1981.
[5] 成心德.离心通风机[M].北京：化学工业出版社，2006.
[6] 沈天耀.离心叶轮的内流理论基础[M].杭州：浙江大学出版社，1986.
[7] 李超，张瑞成，刘振全，等. 离心通风机叶轮子午面型线的优化设计[J].化工机械，2004，31（2）：78-81.