離心風(fēng)機氣動設(shè)計方法的發(fā)展及其應(yīng)用

1、離心風(fēng)機氣動設(shè)計方法的發(fā)展及其應(yīng)用從1975年開始，我們一直致力于風(fēng)機氣動設(shè)計方法研究及高性能風(fēng)機產(chǎn)品開發(fā)，本文結(jié)合我們工作實踐討論離心風(fēng)機氣動設(shè)計方法的發(fā)展及其應(yīng)用。1 離心風(fēng)機氣動設(shè)計的工程方法（1990年前）不能預(yù)估工況性能國際公認(rèn)的離心和軸流風(fēng)機氣動設(shè)計工程方法的權(quán)威著作是德國著名風(fēng)機專家B.Eck的專著風(fēng)機（1973年英文版）1，關(guān)于離心風(fēng)機氣動設(shè)計的主要思想為基于一維、二維不可壓理想均勻流假定及進(jìn)口速度三角形無預(yù)旋假定，通過離心風(fēng)機內(nèi)部流動及其損失機理分析，結(jié)合70年代以前的氣動設(shè)計經(jīng)驗和性能試驗數(shù)據(jù)，提出了一套完整的離心風(fēng)機氣動設(shè)計工程方法，奠定了離心風(fēng)機氣動設(shè)計的基礎(chǔ)。其核心內(nèi)

2、容是確定葉輪參數(shù)兩個公式，一是連續(xù)方程，可確定葉輪進(jìn)口直徑d1，見公式 （1），另一個是葉輪機械做功的歐拉方程（又稱全壓公式，對于不可壓流體，也就是動量方程的積分），可確定葉片的幾何出口角2j，見公式（2）。 式中，分別為流量系數(shù)和全壓系數(shù)，1j，和i分別為葉輪進(jìn)口加速系數(shù)、幾何進(jìn)口角、進(jìn)口充滿系數(shù)、有限葉片修正系數(shù)和進(jìn)口沖角，i為葉輪流動效率，d2，b2和2j分別為葉輪出口直徑、寬度和幾何出口角。Eck還對兩個重要的設(shè)計參數(shù)，即葉輪進(jìn)口加速系數(shù)（定義為進(jìn)風(fēng)口出口和葉輪進(jìn)口截面的面積比值）和幾何進(jìn)口角提出具體建議，前者應(yīng)大于1，具體推薦取值為1.2，使進(jìn)入葉輪的流動是較強的加速流，可減少分離，

3、后者，建議采用i+35.4°，這是根據(jù)在同樣流量下，進(jìn)口速度最小，因而可使葉輪內(nèi)的流動損失最小推導(dǎo)得到的優(yōu)化值。Eck還提出葉片型線應(yīng)使葉片通道內(nèi)的流速具有相同的減速，這樣在流道中就沒有大的減速出現(xiàn)，可減少分離，這種型線稱為等減速流型（dw/dt=wdw/ds=const），我們在學(xué)習(xí)Eck方法的基礎(chǔ)上，引用了透平機械和航空工程中的一些設(shè)計思想，結(jié)合919風(fēng)機開發(fā),經(jīng)過多次設(shè)計樣機性能試驗，突破了風(fēng)機行業(yè)和Eck的一些設(shè)計思想和經(jīng)驗系數(shù)的取值，1977年研制成功的9-19.6風(fēng)機樣機全壓效率，86%，A聲壓級LPA94.5dB，比A聲壓級 LPA17.1dB，比當(dāng)時市場流行的高壓風(fēng)機

4、系列產(chǎn)品8-18.6風(fēng)機效率提高21%，A聲壓級下降5.5dB，比A聲壓級下降 6.5dB，且具有效率高、噪聲低、性能曲線平坦及高效區(qū)寬廣的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單，工藝可行。在9-19風(fēng)機開發(fā)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了其姐妹系列9-26風(fēng)機，由于其優(yōu)良性能，很快被機械工業(yè)部指定為全國推廣的優(yōu)秀高壓離心風(fēng)機產(chǎn)品系列，替代當(dāng)時流行的8-18和9-27系列風(fēng)機，直到現(xiàn)在9-19和9-26風(fēng)機還是風(fēng)機市場高壓風(fēng)機主力產(chǎn)品。1980年提出了9-19風(fēng)機的氣動力設(shè)計方法2 ，對Eck方法提出以下主要改進(jìn)：1）采用葉輪進(jìn)口加速系數(shù)小于1，具體建議為0.70.8，這樣可以大大減少葉輪進(jìn)口流速，不僅可以減少葉輪損失，也有利于減

5、少噪聲，因為噪聲和流速的6次方成正比，理由是這種擴(kuò)壓流動，雖然會有一些分離流，但考慮到高速旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的離心力，會將流入葉輪的少量分離流甩開；2）對前向風(fēng)機采用很小的葉輪出口寬度和葉輪直徑比值，約為0.09，以減少葉片的出口角（見公式（2），并由連續(xù)方程可知，它能提高w2/w1值，因而減少葉片通道的擴(kuò)壓度，可減少分離，提高效率；3）提出等當(dāng)量擴(kuò)張角流型（w-1.5 dw/ds=const）代替Eck的等減速流型，認(rèn)為這樣更為合理，理由是前者將整個葉片通道設(shè)計為一個等當(dāng)量擴(kuò)張角的圓錐通道，這樣的擴(kuò)張才更為均勻，而且容易控制，只要這個錐角設(shè)計在一個合理值以內(nèi)即可；4）離心風(fēng)機噪聲主要是葉片通過頻率

6、（BPF）的離散噪聲和湍流和旋渦引起的寬帶噪聲，其中蝸舌間隙（蝸舌與葉輪間的最小距離和葉輪直徑的比值）是影響B(tài)PF噪聲的主要因素，越大，BPF噪聲就小，總噪聲也可減少，過去國內(nèi)沒有研究噪聲，風(fēng)機為了提高全壓和效率都取較小的，一般為3%5%。為了減少噪聲，我們推薦采用10%。為了保證風(fēng)機全壓和效率，提出了一種大蝸殼的設(shè)計方法；5）首次在風(fēng)機行業(yè)推薦使用無葉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)壓器，它可以減少蝸殼損失，提高全壓和效率。20多年來按照這種方法及后來的一些改進(jìn)，總結(jié)了主要幾個優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，開發(fā)并完善了離心風(fēng)機氣動設(shè)計工程方法的軟件。使用這個軟件，之后的10多年已經(jīng)開發(fā)出很多市場流行的高性能離心風(fēng)機系列，其中突出的產(chǎn)

7、品系列是1987年開發(fā)的6-41中壓風(fēng)機系列，直到現(xiàn)在仍然是風(fēng)機市場的主流產(chǎn)品。離心風(fēng)機內(nèi)的實際流動是整機（包括葉輪、蝸殼和進(jìn)風(fēng)口）三維的有粘性的湍流流動。但工程設(shè)計方法的主要缺點有：1）一維或二維的不考慮粘性的流動假定；2）葉輪、蝸殼是單獨設(shè)計的，進(jìn)風(fēng)口是按經(jīng)驗選配的，而且設(shè)計時沒有考慮部件間的相互影響；3）相當(dāng)程度上還是憑經(jīng)驗設(shè)計，一些重要的經(jīng)驗系數(shù)選取的優(yōu)劣無法在設(shè)計階段考核；4）在設(shè)計階段無法預(yù)估風(fēng)機的工況性能，風(fēng)機性能只能由樣機性能試驗給出。這點是這種方法的根本缺點，總是需要多個設(shè)計樣機性能試驗的周期才能完成樣機開發(fā)，一般需要35個周期，甚至更多，才能完成一個產(chǎn)品開發(fā)，所以開發(fā)周期長

8、、成本高。2 離心風(fēng)機氣動設(shè)計的現(xiàn)代方法（19912000）只能預(yù)估設(shè)計工況性能隨著計算機和計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，有可能采用CFD來數(shù)值計算離心風(fēng)機內(nèi)部的復(fù)雜流場，預(yù)估風(fēng)機流量、全壓和效率關(guān)系的風(fēng)機性能。1991年葉輪機械CFD權(quán)威Lakshminarayana3首先對葉輪機械分析和設(shè)計中的CFD技術(shù)發(fā)表評述，標(biāo)志著CFD方法開始用于葉輪機械的壓縮機和汽輪機，但還未見用于風(fēng)機，當(dāng)時我們就意識到應(yīng)該開始引用CFD計算風(fēng)機流場，來預(yù)估風(fēng)機性能。開展CFD工作首先要有軟件，但當(dāng)時沒有商用CFD軟件，國內(nèi)流場計算都是自己開發(fā)程序，時間花了很多，并不怎么好，也不肯轉(zhuǎn)讓。我們從美國航空和宇航局

9、（NASA）內(nèi)部報告中發(fā)現(xiàn)了一個公開發(fā)表的“用非正交貼體坐標(biāo)系計算不可壓三維流場的程序”4 ，不僅有比較詳細(xì)的介紹，還附有全部源程序。我們立即組織教師和研究生，按照它的編程思想，逐句逐段的核對，也發(fā)現(xiàn)了不少錯誤，并進(jìn)行一些簡單流動計算的考核，花了近一年時間，基本搞通，然后針對氣動設(shè)計性能良好的風(fēng)機，逐步將它用到風(fēng)機部件內(nèi)的流動，從幾何建模、計算域和邊界條件確定、網(wǎng)格生成、收斂條件和松弛因子等數(shù)值計算要素確定，再建立風(fēng)機數(shù)值計算結(jié)果分析的后處理，得出風(fēng)機內(nèi)部流場分析和性能預(yù)估，并和實測對比一整套的數(shù)值模擬方法，邊計算邊實踐，邊改進(jìn)，不斷積累風(fēng)機數(shù)值計算經(jīng)驗。風(fēng)機內(nèi)部流場計算也是先易后難，先從不動

10、的蝸殼流動再用到轉(zhuǎn)動的葉輪內(nèi)的流動；葉輪內(nèi)流動計算，也先從二維的子午通道，再進(jìn)行葉輪三維流動計算；再進(jìn)行葉輪和蝸殼耦合流動分析（當(dāng)時的計算軟件還不具備蝸殼葉輪進(jìn)風(fēng)口連同進(jìn)出管道的整機數(shù)值模擬），為建立離心風(fēng)機氣動設(shè)計的現(xiàn)代方法奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，1996年我們申請國家自然科學(xué)基金項目“低比噪聲離心風(fēng)機科學(xué)設(shè)計方法研究”得到批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號59575016，19961998，）并和北京西山風(fēng)機廠合作開發(fā)優(yōu)秀性能的7-35 產(chǎn)品系列（19972000），正式提出離心風(fēng)機氣動設(shè)計現(xiàn)代方法的基本思想，共分三步，見圖1。首先以離心風(fēng)機氣動設(shè)計改進(jìn)的工程方法為基礎(chǔ)，利用我們自編的氣動設(shè)計軟件和設(shè)計經(jīng)驗，包括

11、一些經(jīng)驗系數(shù)的選用，給出性能良好的風(fēng)機氣動力設(shè)計圖，然后用CFD軟件計算上述風(fēng)機內(nèi)部的三維湍流場，得到給定流量下的全壓和效率。這是關(guān)鍵的一步，因為這樣就能在設(shè)計階段預(yù)估風(fēng)機性能，這是過去工程設(shè)計方法沒法得到的。如預(yù)估性能不滿意，則改變原來的經(jīng)驗設(shè)計參數(shù)，重新進(jìn)行風(fēng)機工程設(shè)計，得到一個新的風(fēng)機氣動力圖，再去進(jìn)行三維流場計算，得到新的風(fēng)機的預(yù)估性能，直到滿意后，就進(jìn)入最后一步，做樣機進(jìn)行測試來驗證預(yù)估性能，如不滿意，再重新進(jìn)行工程設(shè)計新風(fēng)機，再計算預(yù)估性能，再做樣機測試，直到得到工程設(shè)計的風(fēng)機預(yù)估性能和實測性能相近又滿意的樣機，才算設(shè)計完成，整個這樣的設(shè)計過程，稱為離心風(fēng)機的現(xiàn)代設(shè)計方法。它的優(yōu)點

12、是能在設(shè)計階段預(yù)估風(fēng)機性能，其中大量工作是設(shè)計和計算，主要時間花在數(shù)值模擬的計算上，這可以大大減少樣機制作和性能試驗，也就大大節(jié)省高性能風(fēng)機開發(fā)的時間和費用。采用這種現(xiàn)代設(shè)計方法結(jié)合開發(fā)高性能風(fēng)機產(chǎn)品，培養(yǎng)了1名博士生和6名碩士生，博士題目為離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法及整機性能數(shù)值模擬（2000）5 ,也許是國內(nèi)第一篇涉及風(fēng)機數(shù)值模擬的博士論文，發(fā)表了一批學(xué)術(shù)論文如文獻(xiàn)6-12 ，其中突出代表是在1998年中國機械工程雜志上發(fā)表的離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法研究6，開發(fā)了一批高性能風(fēng)機產(chǎn)品，突出代表是和北京西山風(fēng)機廠合作研制的7-35離心風(fēng)機，它是用來替代641的離心風(fēng)機。641風(fēng)機的氣動性能本來就很好，自

13、1987年研制成功以來，一直是國內(nèi)市場上廣泛流行的中壓離心風(fēng)機系列，作為替代的735風(fēng)機，要求效率再提高2%3%，噪聲下降23dB，全壓也要有所提高。7-35風(fēng)機的氣動性能測試在沈陽鼓風(fēng)機研究所進(jìn)行，聲功率測試在中科院聲學(xué)所進(jìn)行。為了與641風(fēng)機比較，嚴(yán)格保證所有測試條件一樣，在同一地點、同一實驗裝置，對7-35 5.6風(fēng)機采用進(jìn)出氣聯(lián)合試驗，得到風(fēng)機的流量、全壓、效率、聲壓級和聲功率，其性能與國內(nèi)外產(chǎn)品比較如下：1） 7-35系列風(fēng)機和國內(nèi)風(fēng)機比較735系列的樣機有兩種，即735 .5.6和735 7.1（只改葉輪）。它們的效率性能分別為85.6%和84%，噪聲的比聲壓級分別為 Lps=6.

14、4dB（進(jìn)出氣試驗），Lps=12.7dB（進(jìn)氣試驗），在完全相同的測試條件下（相同地點，相同設(shè)備，相同方法及相同儀器），735 .5.6與641 .5.4風(fēng)機相比，效率提高2%，風(fēng)機總壓提高13%，比噪聲下降3dB，90%最高效率對應(yīng)的最大和最小風(fēng)量比（反映風(fēng)機變工況性能，該值愈大愈好）從641的1.8提高到2.6，說明735風(fēng)機的性能又有較大提高，符合設(shè)計要求。1999年11月735系列風(fēng)機獲得我國實用新型專利，名稱為“離心風(fēng)機”，專利號為ZL98 2 41387.4。2） 7-35系列風(fēng)機和國外風(fēng)機比較國外風(fēng)機近期性能指標(biāo)很難得到，我們通過國外著名風(fēng)機專家得到德國、日本、俄羅斯和美國90

15、年代同類相近風(fēng)機產(chǎn)品的性能，數(shù)據(jù)來自德國Paul Pollrich 公司1992年產(chǎn)品目錄（比聲功率級為管道法測試結(jié)果）；日本National 公司1997年產(chǎn)品目錄（比聲壓級由出口試驗測得）；俄羅斯Moven 公司1995年產(chǎn)品目錄；美國Greenheck 公司1998年產(chǎn)品目錄，它們與7-35系列風(fēng)機性能比較見表1。由于國外產(chǎn)品性能資料很難查到，并且每個系列風(fēng)機的流量系數(shù)、全壓系數(shù)和葉輪直徑不能完全相同，測試方法也不完全一樣，所以只能作相對比較。另外同樣風(fēng)機比聲壓級進(jìn)口試驗比出口試驗要高2dB左右，混響室和管道法測試聲功率級相差則很小。從表1可以看出，735系列風(fēng)機的性能明顯優(yōu)于國外同類風(fēng)

16、機。機械工業(yè)科技信息研究院（機械工業(yè)權(quán)威查詢機構(gòu)）對15個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了查新，2001年1月的查新結(jié)論為：“7-35系列風(fēng)機達(dá)到或超過國際同類風(fēng)機水平”。2001年2月國家教委和國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合組織對我們申報的高性能離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法及其應(yīng)用成果進(jìn)行會議鑒定認(rèn)為：“提出的高性能離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法新穎；在離心風(fēng)機設(shè)計中引入了先進(jìn)的整機性能的數(shù)值模擬，首次在設(shè)計階段可預(yù)估整機性能；735系列風(fēng)機綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平”。值得指出：離心風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計工況的流動較少旋渦和分離，流動效率也高，一般的軟件和數(shù)值方法容易實現(xiàn)風(fēng)機性能預(yù)估，非設(shè)計工況旋渦和分離流較多，流動效率低，數(shù)值模

17、擬不容易實現(xiàn)風(fēng)機性能；另外，由于CFD軟件限制和計算技術(shù)的限制，這里提到的整機流場計算只能實現(xiàn)葉輪和蝸殼的耦合數(shù)值模擬，還不能實現(xiàn)真正意義上的整機計算，即葉輪-蝸殼-進(jìn)風(fēng)口-連接管道合在一起的三維流場計算。我們對此實現(xiàn)了設(shè)計工況風(fēng)機性能可以預(yù)估的設(shè)計方法，命名為現(xiàn)代設(shè)計方法得到肯定，因而這一時期稱為現(xiàn)代設(shè)計方法階段，以后則屬于現(xiàn)代設(shè)計方法的完善。3 離心風(fēng)機氣動設(shè)計現(xiàn)代方法的完善（20012010）能預(yù)估變工況性能3.1 整機流場數(shù)值模擬由于CFD 軟件的發(fā)展和市場化，我們采用了商用的Fluent計算軟件、Ganbit建模和生成網(wǎng)格軟件，大大增強了前處理、計算、后處理的功能和效率，結(jié)合開發(fā)產(chǎn)品

18、長期實踐，首先實現(xiàn)了真正的整機，即包括蝸殼、葉輪、進(jìn)風(fēng)口和前后連接管道的流場數(shù)值模擬（甚至還可包括了考慮葉輪和進(jìn)風(fēng)口之間的間隙（葉輪間隙）的整機計算，但由于工作量很大，一般氣動設(shè)計做數(shù)值模擬時可不考慮葉輪間隙），預(yù)估設(shè)計工況性能的效率誤差小于3%，全壓誤差小于5%。這是現(xiàn)代設(shè)計方法完善的首要標(biāo)志。其代表性的工作是結(jié)合某公司6-44風(fēng)機開發(fā)進(jìn)行的考慮葉輪間隙的整機流場數(shù)值模擬工作。2005年發(fā)表在美國暖通、空調(diào)和冰箱學(xué)會的研究雜志HVAC&R Rearch的論文離心風(fēng)機整機流場數(shù)值模擬以及進(jìn)口葉片角和葉輪間隙影響的分析13。風(fēng)機設(shè)計參數(shù)：流量系數(shù)0.15，全壓系數(shù)為0.65，葉輪直徑為0

19、.8m，轉(zhuǎn)速為960r/min，空氣溫度為20。圖2是不考慮葉輪間隙的整機網(wǎng)格，圖3是考慮葉輪間隙時葉輪和進(jìn)風(fēng)口的連接部分的網(wǎng)格，表2是葉輪間隙為2.5mm的樣機設(shè)計工況性能的數(shù)值預(yù)估和測試值的比較，實測值全壓偏高10Pa，約0.8%，效率偏高1.5%，兩者符合很好，說明預(yù)估方法很好。實測的性能曲線見圖4，設(shè)計工況的流量為11 000m3/h，效率為85.3%，最高效率點為85.4%，流量為11 400m3/h，二者很接近，說明符合設(shè)計要求，而它的效率比一般高效風(fēng)機高2%3%, 說明樣機性能很好。文獻(xiàn)13還用數(shù)值試驗討論了不考慮葉輪間隙時的葉片進(jìn)口角1j從24°36°（選擇

20、進(jìn)口沖角為零）進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)它對風(fēng)機性能的影響很大，1j為27°時有最好的性能，如和Eck建議的35.4°相比，前者全壓和效率均要高4.5%，該文獻(xiàn)樣機采用的角度就是27°，如沒有進(jìn)行整機性能預(yù)估，這樣的角度是不敢采用的。同樣，還討論了不同的葉輪間隙值（=0，=2mm，=2.5mm）對風(fēng)機性能的影響，對于0.8m的葉輪，廠方認(rèn)為制作樣機葉輪間隙為2mm或2.5mm 都是可以實現(xiàn)的。雖憑經(jīng)驗知道葉輪間隙對風(fēng)機性能影響很大，但一直沒有定量結(jié)論。因為考慮間隙的整機網(wǎng)格生成和計算相當(dāng)有難度，通常CFD工作都是不考慮間隙的，文獻(xiàn)13首次實現(xiàn)了考慮葉輪間隙的數(shù)值模擬，結(jié)果見表

21、3?？吹?mm的間隙，比零間隙全壓下降3%，效率下降1.2%，間隙的存在，產(chǎn)生了一個通過間隙的二次流，它改善葉輪進(jìn)口和蝸殼中的流動，使進(jìn)風(fēng)口、葉輪和蝸殼損失分別下降0.25%、0.15%和0.17%，但這個二次流造成1.75%的間隙附加損失，使葉輪全壓下降3.5%。另外，2.5mm間隙比2mm間隙只差0.5mm，全壓幾乎沒有下降，但效率又下降0.6%。所以，此后我們要求廠方對No.8風(fēng)機，盡量采用葉輪間隙為2mm。3.2 變工況性能預(yù)估實現(xiàn)變工況性能數(shù)值預(yù)估應(yīng)該是標(biāo)志現(xiàn)代設(shè)計方法完善的另一個重要標(biāo)志。1990年代提出現(xiàn)代設(shè)計方法只能預(yù)估設(shè)計工況性能，因為設(shè)計工況效率高，流動很好，旋渦和分離流動

22、很少，這種流場比較容易計算，采用一般的CFD程序、一般的網(wǎng)格生成和最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模式就可以實現(xiàn)，但是非設(shè)計工況流動不會很好，旋渦和分離流動較多，對數(shù)值計算要求高，需要尋找一種能較好的捕捉旋渦和分離流，計算工作量可以承受，又比較公認(rèn)的湍流模式，Wang和Cheng14在數(shù)值模擬槽道流動時中指出，采用RNG k-湍流模式可以較好地捕捉旋渦和分離流動，增加的計算工作量不多。于是我們改用RNG k-湍流模式代替原有的標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模式，結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)，預(yù)估變工況性能和實測性能的比較，通過多人、多次在多個開發(fā)產(chǎn)品上實踐，終于成功，計算工作量大約增加50%。變工況性能預(yù)估誤差，在90%高效流量區(qū)內(nèi)，效率

23、誤差小于5%，全壓誤差小于8%15。3.3 進(jìn)一步完善氣動設(shè)計工程方法的軟件現(xiàn)代氣動設(shè)計方法中原有的工程設(shè)計方法是基礎(chǔ)，采用自編軟件，結(jié)合長期的的產(chǎn)品開發(fā)實踐，已有不少修改和完善。但隨著現(xiàn)代設(shè)計方法完善的需求，現(xiàn)有的工程設(shè)計軟件在便于優(yōu)化設(shè)計、便于和CFD軟件接軌、便于輸出樣機氣動設(shè)計圖方面又需進(jìn)一步完善。后兩項是我們的軟件自身開發(fā)完善工作，這里只說關(guān)于優(yōu)化設(shè)計的問題。離心風(fēng)機設(shè)計參數(shù)很多，優(yōu)化工作一定要重點明確，不能有太多優(yōu)化參數(shù)（否則計算工作量太大），它應(yīng)是工程設(shè)計軟件方便使用，又必須是經(jīng)實踐考核過，確實是重要的設(shè)計參數(shù)。我們認(rèn)為：影響葉輪性能需要優(yōu)化的有三個參數(shù)，1） 進(jìn)口加速系數(shù)，Ec

24、k建議1.2，我們以前認(rèn)為應(yīng)在0.70.8, 實際上已可小至0.6，甚至更低；2） 葉片進(jìn)口角，Eck推薦優(yōu)化流動角是35.4°，再加3°攻角，進(jìn)口幾何角應(yīng)為38°，但實際上很多情況是小一點好，現(xiàn)在我們已可小到27°；3） 葉輪進(jìn)出口寬度比，它和葉輪全壓系數(shù)有關(guān)，不能簡單給個范圍；蝸殼的優(yōu)化參數(shù)主要是螺旋角和葉輪出口和蝸殼寬度比，前者不能超過7°7.5°，后者不能小于0.35左右。至于進(jìn)風(fēng)口設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，過去氣動設(shè)計進(jìn)風(fēng)口是不管的，實際上進(jìn)風(fēng)口出口型線也很重要，因為它影響進(jìn)風(fēng)口出口，也就是葉輪進(jìn)口流動，如果有較大的分離流，進(jìn)入葉輪的

25、流動肯定不好，顯然影響風(fēng)機效率和噪聲，所以在工程設(shè)計中也要注意，這里有兩個優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)風(fēng)口出口段圓弧半徑和出口錐角，前者影響到流動的離心力，后者影響流動擴(kuò)壓強度，需要滿足以前我們給出過的兩個進(jìn)風(fēng)口設(shè)計準(zhǔn)則。有了上述三方面的工作，離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法更加完善，不僅可以在設(shè)計階段預(yù)估風(fēng)機的變工況性能，還可以用不同的優(yōu)化參數(shù)來改善這種性能，在此基礎(chǔ)上，又提出了變型設(shè)計新方法和給定限制條件下的性能優(yōu)化設(shè)計等（如只改葉輪或不改蝸殼或保持前盤圓弧和進(jìn)風(fēng)口圓弧不變或只改葉片或采用廠方要求的部件或部件的某些型線等）。這一時期，我們發(fā)表了除文獻(xiàn)13外的有關(guān)文獻(xiàn)有15-21。開發(fā)的高性能離心風(fēng)機具有代表性的有：1

26、） 和沈陽鼓風(fēng)機研究所合作開發(fā)了6-35，5-55，6-24，7-28和4-73（板型葉片）五個系列。2） 6-44，7-22，7-27a，7-27b，7-45，7-18和5-49 七個系列。3） 為美國 GE 公司開發(fā)家用空調(diào)風(fēng)機替代產(chǎn)品及能源部中央空調(diào)示范系統(tǒng)開發(fā)高效離心風(fēng)機，氣動設(shè)計都有嚴(yán)格限制條件，前者效率提高28%，噪聲降低5dB（A），后者靜壓效率為69%，在美國斯坦福大學(xué)風(fēng)機實驗室與其它風(fēng)機公司的產(chǎn)品對比實驗結(jié)果表明，我們研制的風(fēng)機性能是最好的。4 離心風(fēng)機氣動設(shè)計的現(xiàn)代方法的發(fā)展（20102011）針對新問題，產(chǎn)生新思想隨著離心風(fēng)機氣動現(xiàn)代設(shè)計方法的日益完善，在不斷用于開發(fā)高性

27、能風(fēng)機的過程中，特別在與一線生產(chǎn)和管理的技術(shù)人員交流中，不斷出現(xiàn)新問題，在解決過程中，就會有很多新思想、新認(rèn)識和新方法，不斷推動著現(xiàn)代設(shè)計方法發(fā)展。4.1 選擇流量氣動設(shè)計方法離心風(fēng)機氣動設(shè)計通常都按用戶提出的設(shè)計流量進(jìn)行設(shè)計，并認(rèn)為這是最佳工況，其效率最高，但變工況性能預(yù)估與實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，很多風(fēng)機最佳工況點偏離氣動設(shè)計的設(shè)計流量，其偏離方向和大小與比轉(zhuǎn)速有關(guān)，比轉(zhuǎn)速小于或等于27的風(fēng)機（這里稱它們?yōu)樾”绒D(zhuǎn)速風(fēng)機）的最佳工況流量大于原設(shè)計工況19，21，例如7-09的預(yù)估和試驗的最大效率點流量比設(shè)計流量大40%；7-18a分別大31%和30%；7-22分別大9.5%和7.1%；7-27分別大4

28、.2%和5.6%；而且比轉(zhuǎn)速越小，這種偏離越大22 ；中比轉(zhuǎn)速風(fēng)機的最佳工況與原設(shè)計工況基本接近22；比轉(zhuǎn)速大于55的風(fēng)機（這里稱為大比轉(zhuǎn)速風(fēng)機）最佳工況流量小于原設(shè)計工況，例如5-55的預(yù)估和試驗的最大效率點的流量分別小12%和10%； 4-73的預(yù)估和試驗的分別小7%和10%；其預(yù)估和實測的最大效率點流量均小于設(shè)計流量；而且總的趨勢也是比轉(zhuǎn)速越大，偏離越大22 。針對這種情況,我們提出選擇流量的氣動設(shè)計方法，其核心思想是工程設(shè)計時，合適的選擇不同用戶提出的設(shè)計流量和全壓進(jìn)行氣動設(shè)計，再利用數(shù)值預(yù)估風(fēng)機性能技術(shù)，優(yōu)化用戶設(shè)計工況性能為主，兼顧變工況性能，盡量在使用戶設(shè)計工況性能接近或達(dá)到最佳

29、的同時，又兼顧良好的變工況性能。采用選擇流量設(shè)計需要注意：1）優(yōu)化性能的目標(biāo)仍然是用戶設(shè)計流量的性能，同時適當(dāng)兼顧變工況性能；2）選擇設(shè)計流量和用戶設(shè)計流量的比值，是不斷優(yōu)化選擇流量進(jìn)行氣動設(shè)計，性能預(yù)估中自然得到的結(jié)果；3）選擇設(shè)計流量設(shè)計得到的進(jìn)風(fēng)口和蝸殼，基本上是不適合用戶設(shè)計流量時需要的進(jìn)風(fēng)口和蝸殼，應(yīng)在優(yōu)化進(jìn)風(fēng)口和蝸殼有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)時改善。近來我們已對多個小比轉(zhuǎn)速和大比轉(zhuǎn)速風(fēng)機采用選擇流量設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計獲得成功，詳細(xì)情況可參看文獻(xiàn)21-23 。4.2 對后向離心風(fēng)機錐前盤的新認(rèn)識離心葉輪氣動設(shè)計時，葉輪前盤形狀選擇是很重要的。由于葉輪進(jìn)口氣流是由軸向轉(zhuǎn)為徑向流動，又不斷擴(kuò)壓，如設(shè)計不

30、當(dāng)，很易導(dǎo)致葉輪內(nèi)流動分離。1970年代以來一直認(rèn)為弧前盤比錐前盤好，因為前者有一段較長圓弧可使進(jìn)口及其以后的流動緩慢、光滑過渡1-2 ，而且國內(nèi)外很多高性能離心風(fēng)機都是這樣采用的。隨著葉輪越做越大，弧前盤加工困難和成本也比錐前盤越來越大，前者還常常需要使用昂貴的旋壓機，實際上有些特大葉輪根本無法加工這個大圓弧，只能用錐前盤。近來看到有些錐前盤后向離心風(fēng)機同樣能有85%以上的整機全壓效率，不得不讓人信服，需要改變看法。好在現(xiàn)在有了整機湍流流動數(shù)值模擬和性能優(yōu)化和預(yù)估的計算技術(shù)，有條件來重新認(rèn)識錐前盤的流動性能。為此，我們對三個高性能的弧前盤5-55、5-49和7-22.8風(fēng)機，將弧前盤改成相仿

31、的錐前盤，其它葉輪尺寸不變（由于前盤型線變化，葉片型線也需按等當(dāng)量擴(kuò)張角重新設(shè)計），分別進(jìn)行弧前盤和相仿的錐前盤風(fēng)機整機性能數(shù)值預(yù)估對比，結(jié)果表明二者幾乎都有相仿的高性能，設(shè)計工況點附近效率達(dá)86%87%,全壓均大于設(shè)計壓力，二者性能曲線也很接近，全壓和效率相差在1%附近，5-55風(fēng)機錐前盤性能稍好些，5-49風(fēng)機則弧前盤稍好些，7-22風(fēng)機是小流量錐前盤稍好些，大流量弧前盤稍好些。鑒此，我們認(rèn)為：由于錐前盤加工方便，成本低，設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮，不能再簡單地認(rèn)為其性能一定不如弧前盤，這就是我們對后向離心風(fēng)機采用錐前盤的新認(rèn)識，詳情可見對后向離心風(fēng)機錐前盤的新認(rèn)識24 ，按此認(rèn)識，已為多個公司設(shè)計

32、錐前盤甚至是直前盤（前、后盤平行）風(fēng)機樣機。4.3 對后向離心風(fēng)機圓弧葉片的新認(rèn)識圓弧葉片加工簡單，成本低，以前應(yīng)用廣泛。1973年Eck提出等減速葉片流型1和1980年朱之墀等提出等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片流型2后，普遍認(rèn)為這兩種葉片性能比圓弧葉片性能好，于是后者在后向離心風(fēng)機中就變得很少使用。近來發(fā)現(xiàn)有些后向離心風(fēng)機使用圓弧葉片有85%以上的整機全壓效率，為此，我們對幾個不同型號的高性能后向離心風(fēng)機，采用圓弧葉片和現(xiàn)在常用的等當(dāng)量擴(kuò)張角流型葉片進(jìn)行整機變工況性能數(shù)值預(yù)估對比，重新審視圓弧葉片的性能，看對它能否有些新的認(rèn)識。對于4個弧前盤高性能5-44，7-22，6-44及7-35.8風(fēng)機，其中5-4

33、4風(fēng)機是圓弧葉片，其余為等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片，對每一個風(fēng)機只將葉片改為相仿的等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片（5-44）或相仿的圓弧葉片(7-22,6-44,7-35)。所謂相仿，就是保持葉輪其它參數(shù)完全相同，包括葉輪進(jìn)、出口直徑和進(jìn)、出口葉片角四個參數(shù)和弧前盤型線相同，葉片寬度也相同，只是葉片型線不同，原來是圓弧型線，改為等當(dāng)量擴(kuò)張角型線，反之亦然。然后分別進(jìn)行兩種不同葉片風(fēng)機的數(shù)值預(yù)估變工況性能，并與原有的性能數(shù)據(jù)對比，考察二者型線變化對風(fēng)機性能的影響。結(jié)果表明：對于上凸圓弧葉片，其整機性能和等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片風(fēng)機性能相仿，對于下凹圓弧葉片，風(fēng)機性能明顯低于等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片風(fēng)機，一個全壓和效率低6%，另一個低1

34、.5%。可以得出初步結(jié)論：對于上凸圓弧葉片可以代替等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片，下凹圓弧葉片需要慎用25 。應(yīng)該指出：本文用圓弧葉片代替等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片，或者相反代替時，原風(fēng)機都是優(yōu)化好的最佳風(fēng)機設(shè)計參數(shù)，對于替代風(fēng)機來講，這些風(fēng)機設(shè)計參數(shù)是較好的參數(shù)，但不一定是最佳的，所以這樣比較還有點不公。鑒此，我們認(rèn)為：對圓弧葉片不能再簡單地認(rèn)為其性能一定不好。由于它加工方便，成本低，設(shè)計時應(yīng)盡量優(yōu)先采用，特別是上凸圓弧葉片推薦使用，但下凹圓弧葉片需要慎用，如對圓弧葉片風(fēng)機參數(shù)優(yōu)化后性能仍然不行，則可采用其它好的葉片型線，如等當(dāng)量擴(kuò)張角葉片型線等，這就是我們對后向離心風(fēng)機圓弧葉片的新認(rèn)識。最近，我們對一個平直盤葉輪

35、的上凸圓弧葉片改成等當(dāng)量擴(kuò)張角型線后，全壓增加4.5%，葉輪效率提高1%，所以上述結(jié)論只限于弧前盤葉輪。本節(jié)詳情見對后向離心風(fēng)機圓弧葉片的新認(rèn)識 25 。5 結(jié)束語本文主要是梳理了清華大學(xué)流體力學(xué)研究所36年來結(jié)合高性能風(fēng)機的開發(fā)對離心風(fēng)機氣動設(shè)計方法的學(xué)習(xí)和研究得到的一些心得體會，希望能引來拋磚引玉的效果，進(jìn)一步促進(jìn)和繁榮我國的風(fēng)機行業(yè)。參 考 文 獻(xiàn)1 Eck B. Fans M. Pergamon Press,1973.2 朱之墀,沈天耀. 9-19風(fēng)機的氣動力設(shè)計問題J. 透平壓縮機械, 1980,(3): 20-30.3 Lakshminarayana B. An assessmen

36、t of Computational Fluid Dynamic techniques in analysis and design of turbomachinery，The 1990 Freeman Scholar Lecture J. Journal of Fluid Engineering, 1991 ,133:315-352.4 Chen Y S. A Computer Code for Three-Dimensional Incompressible Flow Using Nonorthogonal Body-Fitted Coordinate SystemsR. NASA-CR-

37、178818, 1986.5 邊曉東. 離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法和風(fēng)機性能預(yù)估D. 北京：清華大學(xué), 2000.6 朱之墀,黃東濤,邊曉東,等. 離心風(fēng)機現(xiàn)代設(shè)計方法研究J. 中國機械工程, 1998, 9(8): 54-56.7 王小華,黃東濤,王智平,等. 離心風(fēng)機子午通道內(nèi)湍流場的數(shù)值模擬J. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報, 1998, 15(1): 50-54.8 唐旭東,黃東濤,朱之墀,等. 邊界層控制技術(shù)在離心葉輪中的應(yīng)用J. 流體機械,1998，9(26): 15-18.9 黃東濤,邊曉東,唐旭東,等. 長短葉片開縫技術(shù)在離心風(fēng)機設(shè)計中的應(yīng)用J 清華大學(xué)學(xué)報，1999,39（4）: 6-9.10 Zhu Zhichi, Huang Dongtao, Bian Xiaodong, et al. Numerical simulation and its application of impeller channel of centrifugal fansJ. M