不同叶片型式下离心风机的气动性能研究.pdf

收稿日期收稿日期2010-03-24；修订日期修订日期 作者简介作者简介吕为（1986-） ，男，江苏省泰州市人，研究方向流体机械总体设计、高效通风机设计优化. E-maillanlv501 离心风机不同叶片型式下的气动性能研究 离心风机不同叶片型式下的气动性能研究 吕为 1, 顾蕴松1, 吴立升2 1.南京航空航天大学空气动力学系 ,南京 210016；2.宜兴台玉环境工程设备有限公司,无锡 214204 摘要摘要从抑制风机叶轮内流动损失出发，设计加工了开缝叶片、前推叶片和长短叶片等不同型式叶片，并进行进 风实验性能测试，对比分析各型式叶片对风机流量、全压升等气动性能的影响。测试结果表明，开缝叶片对风机性能 影响很小，前推叶片不利于风机性能的改善，而采用长短叶片可将风机最高效率由 80.9提高至 87.1，最高效率点风 机全压增长 6.615，流量增长 2.828，有效提升风机性能。实验证明，改进叶片型式可有效改善叶轮内流动，对改进 风机结构，提升运行效率有一定指导意义。 关键词关键词离心风机；叶轮叶片；风机性能；进风测试； 中图分类号中图分类号TH43 文献标识码文献标识码A The aerodynamic perance reseach of centrifugal fan with different types of blades LV Wei, GU Yun-song, WU Li-sheng Department of Aerodynamics ,Nanjing University of Aeronautics impeller blade; fan perance; experimental test 0 引言引言 离心风机是工业生产中提供气体动力的重要工艺 设备[1]，在钢铁、水泥、电力、煤矿、石化、废气污水 处理等众多重要行业中有着极其广泛的应用。但是受 结构、制造工艺、设计理论不完善等因素影响，风机 运行效率不够理想，实际消耗电能过大，给相关工业 生产行业带来经济损失。 风机的能量损失分为流动损失、容积损失和机械 损失，其中流动损失为最主要部分。由于气体具有粘 性，风机叶轮、蜗壳存在不同程度的摩擦、分离等损 失，使得风机效率很难达到理想要求。国内外科研工 作者通过数值模拟和试验测试等手段，针对离心风机 叶轮叶片、蜗壳结构优化[2-4]、内部多维流动分布测试 模拟[5-6]、噪声控制[7-8]等进行了大量的研究工作。 离心风机叶片对叶轮内的实际流动状态起主要作 用，合理优化叶片型线和叶片型式可有效提升风机与 其他流体机械综合性能[9-10]。 本文针对叶轮内存在的边 界层分离流动、二次流等流动损失，设计制造长短叶 片、开缝叶片和前推叶片等不同型式叶片，并通过试 验对比分析了各型式叶片的气动性能优劣，对改进风 机结构、提高运行效率有一定的指导意义。 1 试验系统与方法试验系统与方法 1.1 离心风机进风测试系统离心风机进风测试系统 通风机性能试验台参照 GB/T 1236-2000工业通 风机用标准化风道进行性能试验设计，选用 C 型 [11] （管道进口和自由出口）进风测试装置，试验系统框 图见图 1。 图中进风管道选用聚丙烯（PP 塑料）加工而成， 可保证管道内壁的光洁度。试验所用测试仪器，均符 合 GB/T 1236-2000 要求，精度为 0.2-0.5 级。试验测 试使用部分仪器型号如下补偿微压计 YJB-1500，差 压式压力传感器 kanomax6112，单相功率表 D26-W 型， 电流互感器 HL1。 图 1 离心风机进风测试系统示意图 Fig.1 The schematic diagram of the test system 图 1 离心风机进风测试系统示意图 Fig.1 The schematic diagram of the test system 1.集流器 2.补偿微压计 3.节流调节板 4.整流栅板 5.进气风 筒 6.压力传感器 7.进口锥 8.试验风机 9.电机支座 10.电机 1.2 试验方法试验方法 本文试验的目的是分析不同叶片型式对通风机气 动效率的影响。主要方法是通过分别测得正常叶片、 开缝叶片、前推叶片、长短叶片等不同叶片型式下， 通风机的流量、进口压力及电机消耗有功功率；试验 时统一以风机进口静压力为基准，比较相同进口压力 下风机流量的变化，效率的提升。相关计算公式如下 通风机流量 1 2p QA     （0.95～1） 通风机进口静压 1234 4 e pppp P   通风机动压 2 2 2 1 2 dd Q pP A  通风机全压升 21edd Ppppp 损 电机有功功率 cos NUI 电机机械效率  通风机效率 100 1000 P P Q N      式中 p  为风筒进口端内壁平均压力，由伯努利定 理换算风筒内平均速度； 1234 pppp、 、 、位通风机进口 端内壁平均压力，测试每组叶片时统一取该处相同静 压值为参考基准；风机出口处静压值取为大气压力； 12 AA、 分别为风筒截面积、 通风机出口截面积； 12dd pp、 分别为通风机进口动压与出口动压。 2 实验结果与分析实验结果与分析 2.1 试验通风机试验通风机 试验通风机选用环境保护行业使用较为广泛的低 压力、中等流量离心式通风机。通风机与电机传动方 式为电机直联型（A 型） ，可减少机械传动损失对风机 效率的影响。 选用电动机额定功率 2.2kw， 额定转速为 1420 转/分，机械效率为 0.81，其他具体参数见表 1。 表 1 试验用离心风机主要工况参数 表 1 试验用离心风机主要工况参数 风机型号 流量 Q （m 3/h） 工作全压 P（Pa） 电机转速 （r/min） 工作温度 （℃） MTL-No.0 3 3600 ～ 7200 450 ～ 1000 1420 80 2.2 试验通风机叶片型式的设计试验通风机叶片型式的设计 离心式通风机叶轮内的损失主要分为两种，叶轮 进口冲击损失与叶道内流动损失。进口冲击损失一般 通过选用合适的叶片进口安装角来调节，叶道内流动 损失又由摩擦损失、分离损失、二次流等各种损失组 成，可以通过多种方式来抑制损失大小，其中改善叶 轮叶片型式即为一种简单可行的途径。 图 2 分别给出了本文所设计的常规叶片、开缝叶 片、前推叶片以及长短叶片的四种不同叶轮二维示意 图。其中，开缝叶片是指在常规叶片后侧某一弦向位 置处开一细长窄缝，前推叶片在相同位置处将叶片截 成两段，并将后段小叶片适当前推，而长短叶片是指 在相邻两个常规叶片之间加某一比例的短叶片。下文 通过实验测试的方法，比对四种型式叶片对通风机气 动效率性能的影响。 图图 2 不同型式叶片的示意图不同型式叶片的示意图 Fig. 2 The schematic diagram of different types of bladesThe schematic diagram of different types of blades 2.3 不同叶片型式下风机性能对比不同叶片型式下风机性能对比 图3给出了不同叶片型式下离心通风机的流量-全 压实测曲线。从图中可以分析，相比常规叶片型式风 机，相同流量下长短叶片型式风机全压最大，在效率 最高点全压增长 6.615；而相同流量下，开缝叶片、 前推叶片型式风机全压有不同程度的下降。随着流量 的增加，前推叶片型式风机全压损失比较严重，最大 全压损失可达 19.871。 图 4 给出了不同叶片型式下离心通风机的效率曲 线，为便于比对分析，横坐标统一取风机进口静压值， 各测试点取值在测试时保持相同。从图中可以直观看 出除个别点外，在选取的各测试静压点，长短叶片 风机效率最高，开缝叶片风机效率略低于常规叶片风 机，而前推叶片风机效率则有明显大幅下降。 图 3 不同叶片型式下风机流量-全压实测曲线 图 3 不同叶片型式下风机流量-全压实测曲线 Fig. 3 the flux-pressure curve of the fans with different types of blades different types of blades 图图 4 不同叶片型式下风机效率-静压实测曲线不同叶片型式下风机效率-静压实测曲线 Fig. 4 the efficiency-static pressure curve of the fans with different types of blades different types of blades 表 2 列举了四种叶片型式风机在最高效率点的主 要测试参数的比对结果。不难发现，相比常规叶片， 开缝叶片型式风机流量、压力变化很小，电机消耗功 率没有变化；而前推叶片虽然最高效率点全压增加， 但是电机功耗增大，流量损失严重，效率下降近 7 个 百分点；长短叶片在最高效率点电机功耗增大，但是 风机全压增长 6.615，流量增长 2.828，风机整体效 率提高 6 个百分点有余，极大程度地提升风机效率， 改善了风机气动性能。 表 2 各叶片型式样机实测结果对比 表 2 各叶片型式样机实测结果对比 叶片类型 功率/w P/Pa Q/m 3/h 100η 常规叶片 1.515 793.7 5586 80.9 开缝叶片 1.515 796.3 5423 79.5 前推叶片 1.530 832.4 4995 72.6 长短叶片 1.522 846.2 5744 87.1 备注上表中电机功率、全压、流量及全压效率均为试验中风 机效率最高点取值 3 结结 论论 本文在进风实验测试的基础上，设计制作了常规 叶片、开缝叶片、前推叶片和长短叶片等不同叶片型 式离心风机。测试结果表明采用不同叶片形式叶轮对 风机整体气动性能有不同程度的影响，并找到了一种 可有效提升风机整体性能的叶片型式，即长短叶片形 式叶轮，可将风机最高效率由 80.9提高至 87.1，且 在最高效率点全压增长 6.615，流量增长 2.828，有 效提升风机性能，该叶片型式在同类低压中等流量型 风机设计生产中有很好的应用前景； 参考文献参考文献 [1] 石雪松， 邱明杰. 新型工业化时期我国离心风机行业发展 趋势分析[J]. GM通用机械，2009年 第1期. [2] 李景银，牛子宁，梁亚勋. 可控减速法设计离心风机两元 叶片的研究[J]. 西安交通大学学报， Vol.43， No.9， Sep. 2009. [3] 倪长安，徐云云，庞奇，师清翔，刘师多，周学建. 通用 型离心风机叶片数量对性能的影响规律[J]. 农业机械技 术设计与制造，NO7B.2009. [4] 孙长辉，刘正先，王斗，罗惕乾. 蜗壳变型线改进离心风 机性能的研究[J]. 流体机械，2007年第35卷第4期. [5] Yu-kun L，Quan LU，Jian WANG and Jian ZHANG. 3D Numerical Simulation of Centrifugal Fan inside Flow Field and Modification Investigation. International conference on Power Engineering-2007， October 23-27， 2007，Hangzhou，China. [6] 武晓刚，王家楣，姜丙坤，金建明. 离心风机内部流场三 位数值模拟[J]. 平顶山工学院学报，Vol.15 No.2 Mar.2006. [7] Jianfeng MA，Datong QI，Yijun MAO. Noise reduction for centrifugal fan with non-isometric forward swept blade impeller[J]. Front.Energy Power Eng.China 2008，24433-437 [8] 刘晓良，祈大同，刘天一，袁民建. 前向离心风机吸声蜗 壳降噪的试验研究[J]. 西安交通大学学报，Vol.43, No.3, Mar. 2009 [9] 于跃平，胡继孙，陈启明，杨吉梅. 叶片型线对离心风机 气动性能影响试验研究与叶轮流场计算[J]. 流体机械， Vol.35，No.7，2007 [10] 黄东涛，边晓东，唐旭东，卢钰. 长短叶片开缝技术在离 心风机设计中的应用[J]. 清华大学学报，Vol.39，No.4， 1999 [11] 中华人民共和国国家标准 GB/T1236-2000工业通风机 用标准化风道进行性能试验[S]