蜗壳及叶片外形对双吸式多翼离心风机性能影响的试验研究

蜗壳及叶片外形对双吸式多翼离心风机性能影响的试验研究王军;李佳峻;梁钟;胡修柏;熊官政

【摘要】以某款效率低、全压低的双吸式多翼离心风机为实验对象,通过试验研究蜗壳型线,叶片外形以及增加叶片数对风机性能的影响.试验结果表明:蜗壳型线的变化趋势对双吸式多翼离心风机的性能有着很大的影响,良好的蜗壳型线不仅提高了风机效率以及全压,还改变了流量-压力曲线的变化趋势;相比原风机,采用改型蜗壳及改型叶轮的方案2风机能够大幅提升风机性能,使效率提升幅度达到10.93%,风机全压提升近40Pa;当叶片数从46片增加至56片,风机在大流量工况下提升了风机静压,但风机效率会略有下降.

【期刊名称】《风机技术》

【年(卷),期】2017(059)003

【总页数】6页(P49-53,19)

【关键词】双吸式多翼离心风机;蜗壳型线;叶片外形;试验研究

【作者】王军;李佳峻;梁钟;胡修柏;熊官政

【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院;华中科技大学能源与动力工程学院;华中科技大学能源与动力工程学院;浙江朗迪集团股份公司;浙江朗迪集团股份公司

【正文语种】中文

【中图分类】TH432;TK05

多翼离心风机具有结构紧凑、压力系数高、流量系数大和噪声低等优点，被广泛应用于换气装置、电子设备和空调系统等场合。但由于多翼离心风机在结构上叶轮的相对宽度较大，轮径比大，叶轮流道短，叶片弯曲度大等特点，导致进口气流沿轴向分布极不均匀，叶轮内的压力脉动大，叶片出口处边界层分离严重，蜗舌处的回流以及蜗壳内的二次流动，对其气动特性产生很大的负面影响，使得多翼离心风机效率普遍较低。

目前国内外研究人员对多翼离心风机的优化设计主要以对叶轮和蜗壳优化为主。王嘉冰等人[1]讨论了多翼离心风机的集流器、叶轮、蜗壳、电机分别对风机内流特

性的影响，指出各部件间的匹配对风机性能同样有至关重要的影响。刘路[2]等人

根据多翼离心风机主要部件的结构特点，回顾国内外有关风机流动特性的研究，指出影响多翼离心风机性能的主要因素有：气流分布不均匀，蜗舌附近的旋涡，气流的分离及回流，风机前后盘的二次涡区域。刘小民[3]等人通过实验考察了多翼离

心风机叶片出口安装角对吸油烟机气动性能和噪声特性的影响，研究结果表明叶片出口安装角的变化对吸油烟机性能有较大影响。王瑞[4]等人通过对叶片形状进行

优化，控制叶道内平均速度分布的规律实现了多翼离心风机整体性能的提升。祁大同[5]、宋宝军[6]等人研究传统的和新理论的离心风机蜗壳外型线设计方法，并通

过实验总结了各种蜗壳外型线设计方法的优缺点。杨昕[7]等人用实验的方法研究

了改变叶轮与蜗壳相对位置对风机性能的影响，发现叶轮中心与蜗壳几何中心相重合的位置并不是最佳位置，设计合理的蜗壳型线对风机整体性能有较大的提升。

本文根据实际工程需要，以某款效率低，压升小的双吸式多翼离心风机为研究对象，通过同时对蜗壳和叶轮进行外形优化实现风机性能的大幅提高并分别分析改型蜗壳及改型叶轮对风机性能产生的影响。

1.1 原型风机

如图1所示，原型风机电机外置，内部主要由集流器、叶轮、蜗壳三部分组成。

叶轮前板半开，叶片通过前后板固定。风机设计转速n=1 900r/min，其主要结构参数见表1。

1.2 改型设计

1.2.1 蜗壳改型

由于该款风机需要安装在特定的空间里，在对蜗壳改型时，需要保证蜗壳在长、宽、高三个方向的最大尺寸不能有太大变化，因此对蜗壳改型主要集中在对蜗壳外型线进行优化并保证蜗壳整体尺寸变化足够小。

通过在CAD软件中对原风机蜗壳的外型线进行测量，以蜗壳方位角φ为横轴，蜗壳与叶轮出口在半径方向上的间距dφ为纵轴，绘制出蜗壳外型线的变化趋势图（见图2）。发现原型蜗壳的dφ随φ角以多段折线式变化，在蜗舌附近dφ随φ角增加而快速增加，而在其他φ角范围内dφ增长快慢不一，这将影响蜗壳对气

流的扩压效果，增加气流流动损失，最终恶化流场。

因此，为了实现气流在蜗壳中均匀扩压，现以保证蜗舌处方位角不变的情况下，以dφ随φ角线性递增来优化蜗壳外型线。同时为了满足蜗壳的整体尺寸不变，将蜗壳的高度、宽度、长度进行约束，适当减小了蜗壳的出口张开度，最终得到改型蜗壳。

将改型蜗壳的外型线与原型蜗壳外型线进行对比，见图3，其中φ角用于表示蜗

壳型线的方位，dφ表示沿径向方向叶轮出口至蜗壳内壁的间距。

1.2.2 叶轮改型

通过对原型风机叶片结构参数进行分析，发现该款多翼离心风机的叶片出口安装角过大，与文献[3]中的推荐值不符。过大的叶片出口安装角将导致叶片的强烈弯曲，迫使气流在短叶道内发生大角度的转向，加之叶轮进出口间存在较大的逆压梯度，导致在叶片背面容易产生分离涡，影响风机高效率运行。

因此，为减小叶片的弯曲程度，改型叶轮保持外径D2，内径D1不变，以叶片出

口安装角β2以及叶片圆弧角α作为主要优化变量并参考文献[3]中的推荐值对叶轮进行改型。图4为叶轮结构参数示意图，叶轮改型参数如表2所示。

2.1 试验装置

本次试验在浙江朗迪集团股份有限公司实验室中进行，试验台布置和测量仪表选取遵循中华人民共和国国家标准GB/T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》。实验过程中使用同一电机，同一套测量系统。风机和电机固定在同一位置并且保证相互之间的位置关系不变。风机性能试验系统如图5所示。试验台末端的辅助风机主要用于克服由测试风机本身不能克服的部分阻力。

风机气动性能试验使用同一台电机，其转速为n=1 900 r/min。试验风机的进口条件为当地大气状态，试验中通过调节安装在风室出口管道上的节流装置的开合度来调节风量以达到改变多翼离心风机工作工况的目的，使用微差压变送器测量风室中段处的多喷嘴流量计前后压差和风机出口管道段的静压，并通过测试系统计算得到试验风机的流量和全压，采用数字式转速表测量电机轴的实际转速。为了防止各个工况点下的大气压力，温度以及湿度的差异而导致的试验误差，试验系统将通过自带的传感器实时测量各个工况点下的大气压力，温度以及湿度，并将各工况下风机的性能参数转换为指定条件下的值，确保各组试验对照的可靠性。

2.2 试验方案

为了对比改型蜗壳，改型叶轮以及改型蜗壳加改型叶轮对风机整体性能的影响，将原型蜗壳和叶轮以及改型蜗壳和叶轮组合搭配形成三种试验方案，如表3所示。方案1仅改变了风机蜗壳，可以单独对比改型蜗壳对风机性能的影响；方案2在方案1的基础上进一步将原型叶轮换为同叶片数的改型叶轮一；方案3对比方案2可以研究叶片数增加对多翼离心风机性能的影响。

3.1 试验结果

通过试验台系统为每组试验测量多个工况点并使用MATLAB软件对10个工况点