改变蜗壳安装位置提高多翼离心风机性能的试验研究与数值分析

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2013年第4l卷第9期 流 体 机 械文章编号 ： 1005—0329(2013)09—0001—06改变蜗壳安装位置提高多翼离心风机性能的试验研究与数值分析方 挺 ，杨 昕 ，温选锋 。赵 忖 ，祁大同(1．西安交通大学，陕西西安，710049；2．广东顺威精密塑料股份有限公司，广东佛山，528305)摘 要： 以中央空调中广泛使用的多翼离心风机为研究对象，在不改变现有加工工艺的情况下，保持叶轮和集流器同心，试验研究了改变蜗壳安装位置时的气动性能和噪声特性。试验结果表明：对于本文研究的风机 ，叶轮中心与蜗壳中心相重合的位置并不是最佳安装位置，适当改变蜗壳的安装位置可使风机性能得到改善。当叶轮偏距 为 10mm，偏心角0为150。时，相比于原风机，改变蜗壳安装位置的风机在变转速工况范围内，风量提高3．5％ 一3．9％，效率提高1．2％一 2．8％，同时噪声下降 1．6—1．8dB(A)。对改进前后风机内部流动的数值分析表明：改进风机也改善了叶轮叶道内的总体流动状况，减小叶道内的流动分离损失，增加了流通能力，因而使风机气动性能提高，噪声降低。

关键词： 多翼离心风机；蜗壳安装位置；数值模拟；试验研究中图分类号： TH43 文献标识码 ： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．001Experimental Study and Nmnerical Analysis on hnproving the Performance ofMulti—blade centrifugal Fan by Changing the Volute PositionFANG Ting ，YANG Xin ，WEN Xuan—feng ，ZHAO Cun ，QI Da．tong(1 Xi’an Jiaotong University，Xi’an Shaanxi，710049；2 Sunwil Precising Plastic Corporation，Foshan 528305，China)Abstract： Squirrel-cage fans are widely used in air—conditioning systems．In this study，the effect of diferent relative impeler-to-volute positions on the performance of a multi—blade centrifugal fan was investigated experimentaly．，I’l1e experimental resultshows that changing the installation position of the volute properly wil increase the aerodynamic performance and decrease the A-weighted sound pressure level(SPL)．Compared with the original fan，when the eccentricity angle is 0=150。，the eccentricity isL=lOmm，the fan volume flow rate and the total eficiency aye increased by 3．5％ ～3．9％ and 1．2％ ～2．8％ ．while the A.

weighted SPL decrease by 1．6—1．8dB．The inner flow of the original fan an d the modifed fan Was analyzed after verifying thereliability of the numerical simulatiOil，and the results show that the modifed fan improves the blade channel flow of the impelerand decreases the flow separation，thus increasing the aerodynamic performance increase and atenuating the noise.

Key words： multi—blade centrifugal fan ；volute position；numerical analysis；experimental study1 前言多翼离心风机因其结构紧凑、流量系数大、噪声低等特点，被广泛用于通风换热系统及空气调节等场合。这些使用场合与人们的工作和生活密切相关，因此，对多翼离心风机进行节能降噪研究收稿日期： 2013—04—28具有现实意义。

由于蜗壳具有非对称的结构，所以多翼离心风机内部气流流动是一种复杂的三维非对称流动 ，蜗壳型线对风机性能的影响较大。黄宸武试验研究了由不同设计方法设计出的多翼风机蜗壳对空调柜机性能的影响 j，结果表明空调用多2 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013翼风机的蜗壳设计不能完全引用工业风机的设计方法和经验数据，并且指出，目前空调系统中正在使用的多翼风机产品中，用对数螺旋线法设计的蜗壳型线不一定是最合理的 ，对风机蜗壳型线的改进有利于提高风机的性能。Daniel等提出了圆形蜗壳配合叶轮最优偏心安装位置的离 fl,泵设计方法_4j，与传统螺旋线蜗壳的离心泵性能相比，按照新方法设计出的蜗壳方案使泵的性能得到了提高，同时大幅度降低了叶轮的径向推力。

杨听等用试验的方法研究了改变蜗壳与叶轮的相对安装位置对风机性能的影响 J，找到了较优的匹配方案，提高了风机性能，但其研究存在以下不足：(1)改变叶轮与蜗壳相对位置时，试验过程中没有保持集流器与叶轮圆心一致，导致集流器与叶轮的相对位置也有所改变。而已有的研究结果表明，不合理的集流器偏心位置会对风机性能造成不利影响。 ；(2)仅给出了试验结果，对风机内在流动机A广理以及对风机性能得到改进的原因没有给出相应的解释。

本文以中央空调中广泛使用的多翼离心风机为研究对象，在文献[5]的基础上，设计蜗壳和叶轮位置可调节的试验装置，试验中始终保持叶轮和集流器同心，试验研究了改变蜗壳安装位置对风机性能与噪声的影响，然后进一步对原风机以及具有最佳蜗壳安装位置的风机进行数值模拟研究，在验证数值模拟可靠性的基础上，分析、改进风机性能提高的原因。

2 试验方案及试验结果2．1 研究对象双吸前向多翼离心风机的结构如图 1所示。

风机由进口集流器、叶轮以及蜗壳组成。叶轮无前盘，叶顶外径处有边框结构，起固定叶片的作用。风机主要结构参数如表 1所示。

图 1 双吸多翼离心风机结构示意表 1 双吸多翼风机主要结构参数原风机几何结构参数 数值叶轮外径 D (mm) 150叶轮内径D。(mm) 129集流器出口直径 o0(mm) l24叶片数 z 40叶轮内外径比D ／D： 0．86叶轮宽度 b(mm) 20o叶轮进口安装角 (。) 90叶轮出口安装角 (。) 147蜗壳宽度 (mm) 2302．2 试验方案=尊体保持集流器与叶轮为同心安装位置，对改变蜗壳安装位置的不同方案进行试验，图2给出了叶轮与蜗壳相对安装位置的示意。定义 O0 之间的距离为偏距 (0为蜗壳的中心位置，0 为叶轮中心)，直线 OO 与 Y轴夹角为偏心角 ，并以叶轮旋转方向为正方向。

以偏距 及偏心角 为变量进行研究，试验方案如表 2所示。为保证叶轮与蜗壳不产生干涉，对于本文研究的风机，最大偏距取为 10mm。

空调风机中，大多采用改变风机转速达到调节房间送风量的目的，因此，对改进前后风机进行变转速试验，转速分别取 700r／min、800r／min、900r／min、988r／min、1 100r／min和 1200r／min。

2013年第41卷第9期 流 体 机 械 3弧图2 叶轮中心与蜗壳几何中心相对安装位置示意表 2 蜗壳不同安装位置测试方案方案编号 偏距L(mm) 偏心角0(。)1 0 02 5 1803 5 1504 5 1205 5 906 5 O7 5 2708 5 2409 5 2101O 10 210l1 10 18012 10 1502．3 试验结果对比为了便于对试验结果进行分析，利用相对值比较改进前后的风机性能。定义同一转速下改进风机相对于原风机的相对声压级、相对流量以及相对总效率如下所示：6sPL = 8SPLt一6sPL6Q=[(Q —Q1)／ql】×100％6J，7 ．，7 一叼1叼=AP Q／ ，l0 ×100％式中 ——方案号，i=1表示原风机，i>1表示不同方案的改进风机叩——包括电机、风机功率在内的风机效益 △P ——风机进出口之间的全压升Q——风机容积流量。

— — 包括电机耗功功率以及风机输入功率的总功率表3给出了较优方案和原风机在整个变转速工况范围内的性能对比。

表3 较优方案与原风机之间主要性能参数对比(与方案 1相比)方 偏距 偏心角案 (rIⅡT1) 0(。) 8SPL(dB) 艿Q(％) 卸(％)3 5 150 —1．2～ 一1．1 2．1～2．9 0．9～1．44 5 120 —1．2～ 一1．1 2．1～2．9 O．5～1．Ol1 10 180 —1．4～ 一1．1 1．0～1．8 O．9 2．212 10 150 —1．8～一1．6 3．5～3．9 1．2 2．8从表中可以看出，当L=10mm，0=150。时风机的性能最佳。在整个变工况范围内，风量提高3．5％ ～3．9％，效率提高 1．2％ ～2．8％，噪声下降1．6～1．8dB，风机性能明显得到改善。

图3为 L=10mm，0=150。时，改进风机与原风机在转速 1 100r／min下的噪声频谱。

S∞ 缸频率(Hz1图3 改进风机与原风机在转速 1 100~min下的声压级图谱从图中可以看出，原风机基频噪声较小，主要噪声分量集中在0．4～7kHz附近。在基频659Hz处，改进前后风机的声压级基本相同，因此，虽然较优方案减小了叶轮与蜗壳之间的间隙，但并不增加叶轮通过频率噪声。在 1kHz附近及 2kHz之后的高频频段，改进风机的声压级均有明显降低，表明风机的总噪声得到了控制。

3 数值模拟3．1 数值模型及计算方法本文采用 Pro／E和 Gambit软件对风机进行三维建模和网格划分。由于本文研究的对象为双4 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013吸多翼离心风机，叶片通过蜗壳中部的轮盘进行固定，风机两侧为对称结构。因此，在数值计算时，为节省计算时间，只对其中一半进行计算，对称位置采用对称边界条件。本文将风机主要分为3个区域：进 口区、叶轮区、蜗壳区。由于蜗壳出口气流不均匀，因此将蜗壳出口延长一段使数值计算稳定。另外，为了更准确地模拟风机进 口的气流流动，在风机进口采用半球形状的空间区域。

图4为风机三维模型示意。

Z图4 风机三维模型不意采用结构化网格对风机流动区域进行网格划分。为确保数值计算可靠性，进行了网格独立性验证。验证结果表明，当整机网格数量大于 240万时，风机性能基本保持不变。本文选取网格数目如表4所示。

表4 各部分网格数目项目 I进口 l蜗壳 I叶轮 l总数注：计算时间为20h。

通过控制动静交界面之间的网格疏密变化程度，以减小交界面的插值误差。开始计算第一个工况点需时接近一天，变工况计算时，计算时间会有所减少。风机内部的不可压缩定常流场采用Fluent软件进行三维定常数值模拟。在数值模拟时，采用基于 Reynolds时均的 N—S方程，湍流模型为 Standard k一8两方程模型；控制方程采用有限体积法进行离散，扩散项采用具有二阶截差的差分离散格式；动量方程、动能方程和湍流耗散方程均采用二阶迎风差分离散格式；离散方程求解时采用以压力为基本变量的SIMPLE算法进行求解。计算时采用多参考系模型 MRF，叶轮区域采用旋转坐标系，叶片及中盘为旋转壁面，且壁面满足无滑移条件；其它区域采用静止坐标系。风机进口给定全压边界条件，风机出口为静压边界条件。计算时，对风机出口质量流量和计算残差进行监测。当残差下降到 1O 且监测点的流量保持不变时，认为计算收敛。

3．2 数值计算可靠性验证及计算结果选取试验中所得的最优方案(L=lOmm，0=150。)和原风机进行数值模拟。图5给出了原风机数值结果和试验结果的对比，可以看出，数值计算结果和试验结果虽然在数值上有接近 10％的误差，但总体趋势基本一致。引起计算误差的原因主要有两方面原因，一方面是本文研究风机压头较低，数值误差较大；另一方面是实验过程中，叶轮叶片产生一定变形，从而导致两者误差较大。

暑咖{图5 原风机数值计算结果与试验结果对比改进前后风机的数值模拟计算结果和试验结果对比如图6所示。

巨删媛昌面删转速(r／min)(a)数值计算流量对比(b)试验流量对比图6 改进前后风机流量对 比
6 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013从图7可以看出，气流沿周向分布不均匀，原风机和改进风机均是在 0=0。附近，流速较大。

原风机在出口靠近蜗舌的区域有漩涡区存在，对流动造成不利影响。改进风机相对于原风机，在0=0。区域附近，由于蜗壳位置的改变，蜗壳通流面积也有所增加，导致风机流量增加。另外，蜗舌区域附近的漩涡也有明显的改善。但总体来讲，蜗壳内部的流动改进并不明显。故接下来对叶轮内部流动进行分析。

从图8和图9可以看出，原风机叶轮中，在 0= 0。～180。范围内，整个叶道内流动比较紊乱，尤其是在 0=120。一180。范围内，叶道中有漩涡区，流动被堵塞，对整个流动造成很大损失；在 0= 180。～360。范围内，叶道吸力面流动分离现象十分明显，对流动造成较大损失。

改进风机在 0=0。一90。范围内流动有所改善，在 0=90。～180。范围流道内的漩涡区略有改善，在 0=180。一270。范围内，由图可以看出，叶道中吸力面的流动分离现象有明显的改善，尤其是在 0=180。～230。范围内叶道中流动有很大改善，流动分离和漩涡区基本上都消失，这些是改进风机气动性能有所提高、噪声有所下降的最主要原因。。

在轮盘侧和轮盖侧的回转面上，原风机与改进风机的流动情况与中部回转面的流动相似，另外，其他转速下，改进风机的改进位置和改进原因也基本相同，不再赘述。

5 结语以空调用双吸多翼离心风机为研究对象，通过试验研究了改变蜗壳安装位置对风机性能的影响，并通过数值模拟对改进风机性能提高的原因进行了分析。研究结果表明：对于本文研究的风机，叶轮与蜗壳的同心安装并不是最佳的匹配安装位置，适当改变蜗壳安装位置反而有利于提高风机的性能。试验结果表明，当偏心距 L=10mm，偏心角 0=150。时，改进风机在 700～1200r／min的变转速工况范围内风量提高 3．5％ ～3．9％，效率提 高了 1．2％ ～2．8％，同时噪声降低了1．6—1．8dB(A)。

改进风机使得叶轮与蜗壳具有比原风机更好的匹配，使叶轮叶道内的总体流动状况有所改善，减小了流动分离损失，增大了通流能力，从而使风机性能有所提高、噪声有所降低。

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作者简介：方挺(1989一)，男，在读硕士研究生，研究方向：空调风机节能与降噪研究，通讯地址：710049陕西西安市咸宁西路28号西安交通大学 1531信箱。