前彎前掠低噪聲紡織軸流通風機的優(yōu)化設(shè)計

1、前彎前掠低噪聲紡織軸流通風機的優(yōu)化設(shè)計昌澤舟/東北大學材料與冶金學院    摘要：從提高紡織軸流通風機效率、降低風機氣動噪聲的目標出發(fā)，采用葉片前彎前掠技術(shù)，在葉輪葉片的重心線上各基元截面采用高效翼型的最優(yōu)化流型成型。應(yīng)用葉片前彎前掠和最優(yōu)流型相結(jié)合的技術(shù)研制開發(fā)了JYFZ新型紡織軸流通風機，并與目前紡織行業(yè)應(yīng)用量較大的FZ40(35)-11/12型紡織軸流通風機進行了對比性能測試。結(jié)果表明，JYFZ型紡織軸流風機具有效率高、噪聲低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單及工作區(qū)域?qū)拸V等特點。 關(guān)鍵詞：軸流式通風機；噪聲；前彎前掠葉片；優(yōu)化 中圖分類號：TH432.1 文獻標

2、識碼 :B Optimum Design of a Forward Skewed-Swept Textile Axial-flow Fan with Low-noise Abstract: From the points of improving the efficiency of textile axial-flow fan and reducing fan aerodynamic noise, the forward skewed-swept blade technique has been adopted and the elementary section on the center

3、line of impeller blade has adopted the optimal flow pattern forming with high-efficiency airfoil. The new type JYFZ textile axial-flow fan has been developed applying the combination technique of forward skewed-swept blade and optimal flow pattern and the aerodynamic performance parameters were meas

4、ured and compared with those of FZ4035-11/12 textile axial-flow fans. As result, JYFZ axial-flow fan has advantages of higher efficiency, lower noise, less mass, simple structure and wider operation range than FZ4035-11/12 type. Key Words: axial-flow fan; noise; forward skewed-swept blade, optimizat

5、ion.   引言 紡織企業(yè)為了使生產(chǎn)車間保持合適的溫度、濕度環(huán)境，必須配備專門的空調(diào)系統(tǒng)。通過噴淋方式，令空氣與水霧直接接觸以進行水、氣的熱濕交換，并通過調(diào)整通風機的送風量大小，將調(diào)整適當?shù)目諝馑腿胲囬g，以保持車間內(nèi)空氣合適的溫、濕度環(huán)境。 紡織空調(diào)系統(tǒng)中配套的風機具有風量大、耗能高、運轉(zhuǎn)速度高、噪聲大的特點，因而要求紡織空調(diào)風機運行效率高、節(jié)電節(jié)能；風機噪聲要低，降低車間環(huán)境污染；此外，要求風機運行安全可靠、維修保養(yǎng)簡單方便。目前國內(nèi)用于紡織空調(diào)系統(tǒng)中的配套風機主要為江陰精亞集團和常熟鼓風機廠等企業(yè)生產(chǎn)的 FZ40(35)-11/12 型、 SFF131-11 型軸流通風機等。

6、FZ40(35)-11/12 型軸流通風機，由于具有流量大、壓力高、性能曲線平坦、工作范圍寬廣、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)方便等優(yōu)點，在國內(nèi)紡織空調(diào)配套風機中占有非常重要的地位，應(yīng)用非常廣泛。風機葉輪采用了機翼型葉片，并根據(jù)傳統(tǒng)的風機空氣動力設(shè)計方法設(shè)計成型。但由于傳統(tǒng)的風機氣動設(shè)計方法的局限性，未能從葉片空氣動力學的角度降低風機氣動噪聲考慮，使得該型風機噪聲較高，不適合當前紡織企業(yè)的環(huán)保要求；而從當前節(jié)能減排的要求出發(fā)，還有必要進一步提高風機效率。另外， FZ40(35)-11/12 型軸流通風機在結(jié)構(gòu)上也有必要進一步改進，以使其結(jié)構(gòu)更加簡單實用。 以往軸流通風機葉輪的氣動設(shè)計采用的是傳統(tǒng)的基于翼型

7、在孤立或者平面葉柵狀態(tài)下的吹風試驗數(shù)據(jù)的設(shè)計方法1-2，在設(shè)計中對于風機葉輪流型和葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇上往往采用幾種設(shè)計方案的對比，其設(shè)計時間長，而設(shè)計效果往往取決于設(shè)計者的經(jīng)驗。 近年來，國內(nèi)外對前彎前掠葉片設(shè)計技術(shù)進行了廣泛深入的研究，并將其應(yīng)用到低壓軸流通風機的設(shè)計中，有效地降低了風機的氣動噪聲3-8。本文采用前彎前掠葉片設(shè)計技術(shù)，在葉輪葉片的重心線上各基元截面采用高效翼型成型，并采用最優(yōu)化理論和數(shù)值計算方法，應(yīng)用Excel電子表格進行新型紡織軸流通風機最優(yōu)流型的設(shè)計計算9-10 。即依據(jù)風機設(shè)計參數(shù)，調(diào)整葉輪的流型及各種結(jié)構(gòu)參數(shù)，諸如葉輪直徑、輪轂比、葉片數(shù)目等，快速進行多種設(shè)計方案的比

8、較，從中選取最優(yōu)的設(shè)計方案。 文中還介紹了應(yīng)用該方法進行 JYFZ-1 16A 紡織軸流通風機葉輪的優(yōu)化氣動設(shè)計，并給出了該風機氣動性能試驗實測數(shù)據(jù)與國內(nèi)同類型風機的實測數(shù)據(jù)比較。   前彎前掠軸流風機葉輪葉片優(yōu)化設(shè)計方法 前彎指的是葉片的重心型線(沿徑向的葉型各截面重心的連線)沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲一定角度；而前掠指葉片的中心連線向來流方向傾斜一定的角度。如果葉片前彎的同時中心連線向來流方向傾斜一定的角度就叫前彎前掠葉片。研究表明：采用前掠前彎的葉片設(shè)計可以有效地降低軸流通風機的氣動噪聲。 前彎葉片可以抽象成為型線和沿徑向各基元葉型的組合體。在此模型中，僅考慮弦向尺度對氣流流動的影響，忽略

9、弦向尺度在空間位置的差異。為了使討論簡便，假設(shè)型線處于旋轉(zhuǎn)平面上。 圖前彎葉片的型線 圖前彎葉片的幾何參數(shù)如圖1所示，將型線上的任一點切線與過這一點與輪轂圓心的夾角，稱作為前傾角，用表示。將型線上任一點矢線與葉根處的矢線的夾角稱為前彎角，以表示。其它的相關(guān)計算幾何參數(shù)見圖2，根據(jù)可供選擇的重心型線的特點，可假設(shè): 最常用的型線為直線型和圓弧型：直線型的特點是前傾角從葉根的最大值沿葉高逐漸減小，前傾角和前彎角隨半徑變化可按照下述方法算得。如圖1所示，可得到 而圓弧型的特點是前傾角v在葉根處為零并沿葉高線性增加，直至葉頂達到最大值，前傾角和前彎角可按下述方法計算它隨半徑的變化規(guī)律。 當r=rh時v

10、=0，而且根據(jù)式（3）可以得到a0+r1rh=0。同時若假設(shè)a2=0則： 過大的前彎角將給動葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度計算以及制造工藝帶來困難，因此，前彎葉輪葉片的推薦角度范圍可為8°10°3 。 彎掠角度應(yīng)該選取小于最佳而又處于變化率最為明顯的區(qū)段。按照這個原則，具有葉型重心連線為圓弧的前掠葉片的推薦角度范圍為20°25°8 。 筆者采用的前彎前掠葉片對氣體的加功量不應(yīng)該沿半徑等功分布，應(yīng)該采用變環(huán)量計算方法，根據(jù)葉片損失和二次流對葉片的影響，以及對噪聲的影響，對變環(huán)量指數(shù)a進行設(shè)計來改變Cu ，設(shè)計出一個新的流型。考慮到對葉片加工方便的因素，采用直線加上圓弧

11、作為翼型重心連線，假設(shè)直線與圓弧的分界點設(shè)為相對半徑x處，對直線和圓弧分別采用不同的變環(huán)量指數(shù)。且x(0.4,0.45) 8 。其中：x決定了式（13）和式（14）這個函數(shù)的分界點；a決定了葉根到重心連線是直線部分的變環(huán)量系數(shù)。 u中的未知數(shù)可在下列條件下求出：氣流參數(shù)C2a(r)和C2u(r)應(yīng)該滿足連續(xù)方程、理論全壓方程和簡單徑向方程。從而可以保證通風機設(shè)計條件下所需要的流量及全壓。基元級的理論全壓方程： th=prC2u (20) 式中、r、C2u分別為空氣密度、葉輪的回轉(zhuǎn)角速度、基元級葉片半徑及葉輪出口氣流的旋繞速度。 葉輪出口簡單徑向平衡方程為2 在C2a滿足下列連續(xù)方程2條件下求解

12、和a、b，為了保證低噪聲，a、b根據(jù)聲學特性求出。把以上求出的參數(shù)a,b,A,K代入式（18）和（19）中即可以求出C2u 。 上述葉輪流型的求解可采用EXCEL電子表格的方法計算。即按行進行葉輪的氣動計算，計算步驟按文獻9-10進行，并按孤立翼法和葉柵法分別進行葉片成型，以便于對比選擇。氣動計算和葉片成型的各計算公式中風機結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉輪流型變環(huán)量指數(shù)等均采用電子表格中相應(yīng)位置處的對應(yīng)參數(shù)；利用電子表格的功能，當在改變風機結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速、葉輪流型指數(shù)等時，風機氣動計算結(jié)果即隨之變化，從而快速完成風機氣動計算。相當于在短時間內(nèi)進行多種設(shè)計方案的對比，而且直觀，可以有效地滿足在風機高效率、低

13、噪聲條件下進行風機優(yōu)化設(shè)計計算。設(shè)計計算表格列好后，可在滿足上述風機氣動約束條件下，調(diào)整風機結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉輪流型指數(shù)等，同時觀察風機效率變化情況以及葉片翼型參數(shù)的合理性，以便能在保證風機內(nèi)流動損失最小的情況下確定風機結(jié)構(gòu)參數(shù)和葉輪流型。為了保證能得到低的噪聲指標，可通過改變?nèi)~輪流型指數(shù)，找出最低的噪聲。   JYFZ 型紡織軸流風機葉輪的設(shè)計 江陰市宏達風機XXX和東北大學聯(lián)合研制開發(fā)了 JYFZ-1 16A 新型高效低噪紡織軸流通風機，該風機葉輪的氣動設(shè)計采用了上述前彎前掠軸流通風機葉輪葉片優(yōu)化設(shè)計方法。 該風機的設(shè)計參數(shù)：風量Q=85000m3/h ，全壓p=560Pa , 風機噪

14、聲比A聲級LSA30dB（A），風機全壓效率75%。 風機為單級葉輪的級型式，葉輪直徑為D=1.6m，配用電機功率P=22kW，電機同步轉(zhuǎn)速n=1000r/min，考慮到風機葉輪葉柵稠度和動力負荷系數(shù)均超過1.0，因而葉輪采用機翼型葉片，并用葉柵法成型。 JYFZ 型紡織軸流通風機的葉輪輪轂與葉片配合面為球形表面，葉片根部也鑄造成球形，這就保證了葉輪輪轂與葉片根部的間隙，而且此間隙不隨葉片安裝角度的旋轉(zhuǎn)變化而改變。葉片的葉柄被固定在輪轂上均勻分布的葉片槽內(nèi)，和下面的葉片固定板一起，被內(nèi)六角螺栓所緊固，從而保證了葉片在葉輪旋轉(zhuǎn)時不松動。 由于采用了前彎前掠低噪聲葉型和氣動優(yōu)化設(shè)計技術(shù)設(shè)計葉片流型

15、，可有效地減少葉片數(shù)量，由原來FZ40（35）-11/12系列紡織軸流通風機的10個葉片，減少到現(xiàn)在的JYFZ系列新型紡織軸流風機的3個葉片，而兩種風機單個葉片質(zhì)量相差無幾，從而大大降低了風機質(zhì)量，有效地降低了生產(chǎn)制造成本，提高了風機的安全可靠性。   試驗結(jié)果與分析 江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局風機產(chǎn)品檢測中心對該風機進行了風機性能與噪聲檢測，通風機性能測試及噪聲檢測均是按照國家相關(guān)技術(shù)標準進行的。具體結(jié)果見表1。 表1 JYFZ-1 16A 軸流通風機性能實測與設(shè)計指標的對比 比較參數(shù) 設(shè)計 實測 偏差 流量Q/（m3/h） 85000 85000 全壓p/Pa 560 586 +4.6

16、% 全壓效率/% 75 81.5 +6.5 噪聲比A聲級LSA/dB（A） 30 24 6 軸功率/kW 22 17.0 足夠功率裕量 由表1數(shù)據(jù)看出，在設(shè)計流量點85000m3/h 處，風機實測全壓與設(shè)計全壓相對偏差為+4.6% ，按照國家相關(guān)技術(shù)標準11，風機全壓性能滿足設(shè)計要求。實測風機全壓軸效率與設(shè)計全壓軸效率相差為+6.5%，風機效率指標超過設(shè)計效率指標。實測風機噪聲比A聲級LSA 為24dB(A)，低于30dB(A) 的設(shè)計指標，更遠低于國家標準規(guī)定的軸流通風機35dB(A) 的噪聲比A聲級規(guī)定12。該風機在設(shè)計點實測軸功率為17.0kW，對于選用的22kW電動機，已留有足夠的功率

17、裕量。 筆者還將JYFZ-1 16A 新型紡織軸流風機與FZ-11 16A紡織軸流通風機, 在相同葉輪直徑、相同徑向間隙、相同電機轉(zhuǎn)速和功率條件下 , 進行了氣動性能試驗結(jié)果的分析對比，其對比試驗是在5個不同葉片安裝角時分別進行的，限于篇幅，只給出葉片安裝角為11°，電機功率為22kW時，兩臺風機的性能試驗結(jié)果。 （1）風機全壓：當FZ-11 16A葉片安裝角為11°時，風機產(chǎn)品樣本規(guī)定的流量全壓性能見圖3。圖3中還給出了 FZ-11 16A風機在該角度時的實測流量全壓性能曲線和JYFZ-1 16A風機的實測流量全壓性能曲線。由圖3看出， JYFZ-1 16A風機在FZ系列

18、風機樣本的3個相同流量點上，風機全壓均高于FZ風機樣本的全壓值，也高于FZ-11 16A 風機在各個流量點處的實測全壓值。 （2）工作區(qū)域：由圖3可知，F(xiàn)Z-11 16A風機的工作區(qū)域為Q=68000120000m3/h ；而JYFZ-1 16A風機的工作區(qū)域為Q=50000125000m3/h ，其工作區(qū)域較FZ-11 16A風機稍微寬廣。 （3）效率：由圖4，F(xiàn)Z-11 16A風機的最高全壓效率為77.6% ，工作區(qū)內(nèi)平均全壓效率為72.2%；JYFZ-1 16A 風機的最高全壓效率為81.5%，與 FZ-11 16A 風機的最高全壓效率相差+3.9%，而其工作區(qū)內(nèi)平均全壓效率為74.8%

19、，兩者相差+2.6%。 （4）噪聲：由圖3，F(xiàn)Z-11 16A風機在最高效率點處的噪聲比A聲級為31.3dB（A），工作區(qū)內(nèi)平均比A聲級為29.6dB（A）； JYFZ-1 16A 風機在最高效率點處的比A聲級為24.2dB（A），比FZ-11 16A風機的比A聲級低7.1dB （A），而其工作區(qū)內(nèi)平均噪聲比A聲級為25.0dB（A），比FZ-11 16A風機低4.6dB（A）。 （5）功率：由圖4，F(xiàn)Z-11 16A風機的最高軸功率為20.5kW，而JYFZ-1 16A風機的最高軸功率為17kW，這是因為 JYFZ-1 16A風機的效率較高的緣故。兩臺風機在其工作區(qū)域內(nèi)都能保證配套電機不過載

20、。 JYFZ 新型低噪聲紡織軸流風機目前已形成產(chǎn)品系列化，并取得了國家專利（專利號為 ZL 200820214514.7）和國家制冷產(chǎn)品生產(chǎn)許可證，已在國內(nèi)外紡織行業(yè)形成批量銷售。 圖風機流量全壓、噪聲比聲級性能對比圖4 風機流量-全壓效率、軸功率性能對比 4   結(jié)論 （1）在為紡織企業(yè)空調(diào)系統(tǒng)配套 的軸流通風機中，首次采用3個葉片的前彎前掠葉輪葉片優(yōu)化氣動設(shè)計，風機質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)安全可靠。 （2）JYFZ 新型紡織軸流通風機葉輪輪轂與葉片配合面為球形表面，葉片根部也鑄造成球形，這就保證了葉輪輪轂與葉片根部的徑向間隙不隨葉片安裝角度的變化而改變。 （3）JYFZ 新型紡織軸流風機氣動性能完全達到設(shè)計要求。與目前國內(nèi)紡織空調(diào)系統(tǒng)中主要配套的FZ40（35）-11/12 型紡織軸流風機相比，其特點是效率高、噪聲低、工作區(qū)域更加寬廣。 參 考 文 獻  1 商景泰，等.通風機手冊M.北京：機械工業(yè)出版社，1994. 2 昌澤舟，等.軸流通風機的實用技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2005. 3 Beiler M G ， Carolus T H . Computation and measurement of the flow in a