摘要：在离心风机气动设计中，通常认为设计流量对应的工况是最佳工况。针对这种观点，对几台风机进行性能预估与实测对比数据发现很多风机最佳工况点偏离气动设计的设计流量，其偏离方向和大小与比转速有关。分析原因后提出，对于不同比转速选择不同于用户提出的设计流量，利用预估并优化变工况性能，就能保证用户设计工况性能良好。又明显改善变工况性能。
关键词：离心风机；气动力设计；设计流量
离心风机气动设计时一般均按用户提出设计工况的参数如流量、全压、叶轮直径、转速和工作温度等进行设计，并设法使设计工况效率最高。气动设计本身既不能预估设计工况性能，更不能预估变工况性能。有了现代设计方法和整机流场数值模拟技术后，通常也只对用户提出的设计工况进行优化，并预估设计工况性能，如达到要求，就做样机试验。后来又发展了变工况性能预估技术一。近来，清华航院流体声学实验室收集多个不同比转速风机的性能实测数据和变工况性能预估，发现很多这样设计的样机性能，最佳工况点偏离气动设计的设计流量。其偏离方向和大小与比转速有关。小比转速风机的最佳工况流量大于原设计工况；中比转速风机的最佳工况与原设计工况接近，大比转速风机的最佳工况流量小于原设计工况。而且这种偏离大小，直接和比转速离中等比转速的差别有关，差别越大，偏离越大。本文针对这种情况进行分析，并提出选择流量的气动设计方法，其核心思想是合适的选择不同于用户提出的设计流量和全压进行气动设计，再利用数值预估风机性能技术，优化用户设计工况性能为主，兼顾变工况性能，尽量使就用户设计工况性能接近或达到最佳的同时，又兼顾良好的变工况性能。
1离心风机气动设计现代方法的完善（2001～2010）——能预估变工况性能
1.1整机流场数值模拟
由于CFD软件的发展和市场化，我们采用了商用的Fluent计算软件、Ganbit建模和生成网格软件，大大增强了前处理、计算、后处理的功能和效率，结合开发产品长期实践，首先实现了真正的整机，即包括蜗壳、叶轮、进风口和前后连接管道的流场数值模拟（甚至还可包括了考虑叶轮和进风口之间的间隙（叶轮间隙）的整机计算，但由于工作量很大，一般气动设计做数值模拟时可不考虑叶轮间隙），预估设计工况性能的效率误差小于3％，全压误差小于5％。这是现代设计方法完善的首要标志。其代表性的工作是结合某公司6—44风机开发进行的考虑叶轮间隙的整机流场数值模拟工作。2005年发表在美国暖通、空调和冰箱学会的研究杂志《HVAC&R Rearch》的论文《离心风机整机流场数值模拟以及进口叶片角和叶轮间隙影响的分析》””。风机设计参数：流量系数0.15，全压系数为0.65，叶轮直径为0.8m，转速960dmin，空气温度为20℃。
1.2变工况性能预估
实现变工况性能数值预估应该是标志现代设计方法完善的另一个重要标志。1990年代提出现代设计方法只能预估设计工况性能，因为设计工况效率高，流动很好，旋涡和分离流动很少，这种流场比较容易计算，采用一般的CFD程序、一般的网格生成和最常用的标准k一6湍流模式就可以实现，但是非设计工况流动不会很好，旋涡和分离流动较多，对数值计算要求高，需要寻找一种能较好的捕捉旋涡和分离流，计算工作量可以承受，又比较公认的湍流模式，Wang和Chen在数值模拟槽道流动时中指出，采用RNG k一ε湍流模式可以较好地捕捉旋涡和分离流动，增加的计算工作量不多。于是我们改用RNG k一ε湍流模式代替
原有的标准k一ε湍流模式，结合产品开发，预估变工况性能和实测性能的比较，通过多人、多次在多个开发产品上实践，终于成功，计算工作量大约增加50％。变工况性能预估误差，在90％高效流量区内，效率误差小于5％，全压误差小于8％。
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1.3进一步完善气动设计工程方法的软件
现代气动设计方法巾原有的工程设计方法是基础，采用自编软件，结合长期的的产品开发实践，已有不少修改和完善。但随着现代设计方法完善的需求，现有的工程设计软件在便于优化设计、便于和CFD软件接轨、便于输出样机气动设计图方面又需进一步完善。后两项是我们的软件自身开发完善工作，这里只说关于优化设计的问题。离心风机设计参数很多，优化工作一定要重点明确，不能有太多优化参数（否则计算工作量太大），它应是工程设计软件方便使用，又必须是经实践考核过，确实是重要的设计参数。
2 离心风机气动设计的现代方法的发展(2010～201 1)——针对新问题，产生新思想
2.1选择流量气动设计方法
离心风机气动设计通常都按用户提出的设计流量进行设计．并认为这是最佳情况，其效率最高，但变工况性能预估与实测数据发现，很多风机最佳工况点偏离气动设计的设计流量，其偏离方向和大小与比转速有关，比转速小于或等于27的风机（这里称它们为小比转速风机）的最佳工况流量大于原设计工况，例如7—09的预估和试验的最大效率点流量比设计流量大40％；7—18a分别大31％和30％；7—22分别大9．5％和7．1％；7—27分别大4．2％和5．6％；而且比转速越小，这种偏离越大江2，；中比转速风机的最佳工况与原设计工况基本接近；比转速大于55的风机（这里称为大比转速风机）)最佳工况流量小于原设计工况，例如5—55的预估和试验的最大效率点的流量分别小12％和10％；4—73的预估和试验的分别小7％和lo％；其预估和实测的最大效率点流量均小于设计流量；而且总的趋势也是比转速越大，偏离越大。针对这种情况，我们提出选择流量的气动设计方法，其核心思想是工程设计时，合适的选择不同用户提出的设计流量和全压进行气动设计，再利用数值预估风机性能技术，优化用户设计工况性能为主，兼顾变工况性能，尽量在使用户设计工况性能接近或达到最佳的同时，又兼顾良好的变工况性能。采用选择流量设计需要注意：（1）优化性能的目标仍然是用户设计流量的性能，同时适当兼顾变工况性能；（2）选择设计流量和用户设计流量的比值，是不断优化选择流量进行气动设计，性能预估中自然得到的结果；（3）选择设计流量设计得到的进风口和蜗壳，基本上是不适合用户设计流量时需要的进风口和蜗壳，应在优化进风口和蜗壳有关结构参数时改善。
2.2 对后向离心风机圆弧叶片的新认识
对于4个弧前盘高性能5～44，7—22，6—44及7-35No8风机，其中5—44风机是圆弧叶片，其余为等当量扩张角叶片，对每一个风机只将叶片改为相仿的等当量扩张角叶片（5-44）或相仿的圆弧叶片（7—22，6—44，7—35）。所谓相仿，就是保持叶轮其它参数完全相同，包括叶轮进、出口直径和进、出口叶片角四个参数和弧前盘型线相同，叶片宽度也相同，只是叶片型线不同，原来是网弧型线，改为等当量扩张角型线，反之亦然。然后分别进行两种不同叶片风机的数值预估变工况性能，并与原有的性能数据对比，考察二者型线变化对风机性能的影响。结果表明：对于上凸圆弧叶片，其整机性能和等当量扩张角叶片风机性能相仿，对于下凹圆弧叶片，风机性能明显低于等当量扩张角叶片风机，一个全压和效率低6％，另一个低1．5％。可以得出初步结论：对于上凸圆弧叶片可以代替等当量扩张角叶片，下凹圆弧叶片需要慎用。
3结语
本文主要是梳理了近年来结合高性能风机的开发对离心风机气动设计方法的学习和研究得到的一些心得体会，希望能引来抛砖引玉的效果，进一步促进和繁荣我国的风机行业。
参考文献：
[1]庄益娈,徐洪海,裘科名,张璟,杨艺伟.离心风机气动噪声降噪技术探究[J].科技与创新,2017(22):68-69.
[2]曹辉,吴廉巍.离心风机叶片优化设计及气动分析[J].装备制造技术,2017(11):42-46+78.
[3]李烁,刘小民,秦志刚.偏心叶轮对多翼离心风机气动性能和噪声影响的数值研究[J].风机技术,2017,59(01):18-24+37.
论文作者:陆琪琳1,金银钢2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/11
标签：工况论文; 风机论文; 性能论文; 流量论文; 叶片论文; 转速论文; 叶轮论文; 《基层建设》2018年第15期论文;