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生產負壓風機_多翼離心風機改進設計

Abstract
摘要:為獲得流動性能和噪聲性能的優化,對多翼離心風機葉片、進口集流器和蝸舌進行了改進,並采用CFD數值模擬軟件FLUENT對這些機型進行了模擬計算,通過對其流場進行對比分析得到了兩台流動和噪聲性能均比原風機顯著提高的機型。
關鍵詞:多翼離心風機;降噪;葉片型式;集流器型式;斜蝸舌;CFD數值模擬
中圖分類號:TH432 文獻標識碼:B
Improving and Noise Reduction of Multi-Blade Centrifugal Fan for Automotive Air Conditioner
Abstract: For the purpose of obtaining the optimization of flow and noise performances, the structure of blade, inlet bell mouth and volute tongue of multi-blade centrifugal fan are improved. And the CFD numerical simulation software FLUENT is adopted to simulate and calculate these fans. After comparing and analyzing the flow field, it is obtained two fans whose flow and noise performances are optimized significantly compared to the original fans. 
Key words: multi-blade centrifugal fan; noise reduction; blade type; bell mouth type; inclined volute tongue; CFD numerical simulation
0 引言
  多翼離心風機由於具有較大的壓力係數和流量係數以及較緊湊的結構被應用於汽車空調係統中。汽車空調在運行時特別是全功率運行時,如果噪聲較大,會影響車內的舒適性,從而降低汽車品牌的競爭力。因此本文的主要任務是對汽車空調用多翼離心風機進行改進,以求流動性能和噪聲性能都得到優化。
1 多翼離心風機改進設計
  本文擬通過兩種途徑來優化風機流動性能,降低其噪聲:一是通過改變多翼離心風機的形狀,如改進風機蝸舌;二是通過改變多翼離心風機的結構來提高它的壓升,從而降低風機的轉速,如改進風機的葉片和進口集流器。
1.1 葉片改進
1.1.1 單圓弧葉片及響應麵優化
  單圓弧葉片因設計容易,製造簡單,常被多翼離心風機采用[1] ,如果葉片進出口角選取合適的話,單圓弧葉片風機可以取得較好的性能。
  在葉片的進口安裝角β1A和出口角安裝角β2A以及葉輪內徑D1、葉輪外徑D2確定之後,圓弧葉片的曲率半徑R可按下式計算:

    

  傳統的設計方法中,進出口角的選取沒有公式可遵循,多數文獻推薦出口安裝角β2A一般在155°~170°,而進口安裝角β1A可選擇的範圍則相對較大,為55°~110°。
  當有一定量的試驗或者模擬結果後,響應麵優化方法可以用來優化風機的單圓弧葉片型線。響應麵優化方法是用一個簡單的函數關係近似替代複雜的實際模型以用來進行計算分析和優化的方法[2-3] ,它將設計目標定義為響應,廠房負壓風機,設計變量定義為因素,響應y和因素xi之間存在著函數關係式:

     y=f(x1,x2,...,xn)   (3)

  二階多項式最常被采用作為響應麵的近似函數,如式(4):

    

  上式中k為設計變量的個數,當設計變量為兩個時,式(4)簡化為式(5):

   y=β0βx1+β2x2+β3x12+β4x22+β5x1x2   (5)

  對上式做以下變換:x3=x12,x4=x22,x5=x1x2,則式(5)可變為:

  y=β0βx1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5        (6)

  若試驗的總次數為n,則式(6)可以表示為如下矩陣型式:

   

  編製程序求解出係數向量α後,即可得到設計目標和設計變量之間的函數關係,求解該函數的極值就可得到最優的設計變量。
1.1.2 雙圓弧葉片
  具有較大圓弧半徑的雙圓弧葉型多翼離心風機也可以產生良好的空氣動力特性與低噪聲特性[4] 
  雙圓弧葉片是由兩段圓弧葉片平滑連接而成,決定多翼離心風機雙圓弧葉片型線的參數總共有8個:進出口安裝角β1Aβ2A,葉輪內外徑D1D2,葉片圓弧半徑Rk1Rk2,葉片圓心角α1α2
  雙圓弧葉片參數的計算方式和單圓弧葉片類似,可以在確定葉片進口角β1和出口角β2的基礎上,給定其中一個圓弧的半徑和圓心角,依次算出其它的參數。換句話說,已知葉輪內外徑D1D2,進出口安裝角β1Aβ2A的情況下,給定葉片圓弧半徑Rk1Rk2的值,α1&alpha,車間降溫風機;2的值也就隨之確定。
1.2 集流器改進
  集流器的作用是引導氣體進入多翼離心風機,氣流通過集流器後由軸向流動轉為徑向流動,氣流方向的突然改變會使葉輪靠近前盤附近通流很少,氣流分離,產生渦旋,使多翼離心風機的性能下降,噪聲情況惡化[5] 。集流器的形狀和安裝位置對風機內部流體的分布情況,特別是風機前盤附近的氣流分布有著很大的影響;因此,改變集流器的形狀和安裝位置對提高風機的性能,降低風機的噪聲是十分必要的。
  大量的試驗和數值模擬結果表明,蝸殼內部的流道中有著很嚴重的分離,有時還會出現回流,因此可以采用偏心安裝集流器代替傳統集流器,即將集流器向風機蝸殼內部偏置一定的距離,以優化其流場[6] 
  橢圓型進口集流器作為偏心安裝集流器的一種特殊形式[7] ,其截麵型式見圖1。該截麵由四個部分組成,兩個圓弧和兩條直線,圓弧1的圓心為O1,偏心距為L1,圓弧2的圓心為O2,偏心距為L2,截麵的傾角為θ。定義偏心距ε1=L1/D1ε2=L2/D2則給定截麵傾角θ,偏心距ε1ε2,就可以確定橢圓型集流器的截麵型線。
 

1.3 蝸舌改進
  多翼離心風機的噪聲主要有渦流噪聲和旋轉噪聲兩種,大量實驗表明,旋轉噪聲在多翼風機噪聲中往往起著決定性作用。葉輪出口存在著速度和壓力都不均勻的尾跡,與蝸舌相互作用,會形成隨時間脈動的壓力,這是構成旋轉噪聲的主要來源[8] ,因此蝸舌結構對多翼離心風機的性能和噪聲情況有著非常重要的作用。
  斜蝸舌常用來代替常規直蝸舌,以優化風機的噪聲情況[9] ,其結構見圖2。蝸舌半徑從輪蓋到輪盤的變化範圍為r1r2 ,蝸舌與葉輪最小間隙從輪蓋處的t1變化到輪盤處的t2,並且從輪蓋處到輪盤處,蝸舌與葉輪的最小間隙位置沿軸向轉動了角度θ

  多翼離心風機采用斜蝸舌降噪的主要機理是:葉輪出口尾跡和蝸舌相互作用產生的非定常壓力脈動,由於斜蝸舌的傾斜結構會產生一定的相位差,具有相位差非定常力相互疊加,其產生的噪聲結果必定小於采用直蝸舌沒有相位差的噪聲疊加結果。
2 數值模擬及流場分析
  在GAMBIT中對多翼離心風機建立模型並進行網格劃分,為了提高網格的質量,將整個風機的計算域分為了進口集流器、輪轂、葉輪流道區域以及蝸殼四個部分,每一個部分的網格都單獨劃分。對於像蝸舌處流動比較複雜的區域,可以進行網格加密。本文中多翼離心風機整體網格數約為300萬,且風機模擬結果的網格無關性已經得到證明。
  通過多次模擬對比,最終找出了最合適的計算模型:湍流模型選擇標準k-ε模型,壓力-速度耦合算法選擇SIMPLE算法,動量方程、湍流動能和湍流耗散均采用二階迎風格式離散,進口條件為速度進口條件,出口條件為壓力出口條件,葉輪區域采用旋轉坐標係,計算殘差定為10-6
2.1 葉片和集流器改進數值模擬
  首先模擬了20組單圓弧葉片風機,它們的進口安裝角β1A依次為55°、60°、65°、70°和75°,對應每個進口安裝角β1A,出口安裝角β2A分別為155°、160°、165°和170°。
  在單圓弧葉片風機數值模擬結果的基礎上,選取靜壓升為設計目標,葉片進口安裝角β1A和葉片進口安裝角β2A為設計因素,采用響應麵優化方法對單圓弧葉片風機進行了優化,得到了最優機型的進口安裝角β1A為63.1°,出口安裝角為170°,命名為風機xym,其靜壓升比原風機的靜壓升提高了73.1Pa。
  然後模擬計算了40組雙圓弧葉片風機,它們的進出口安裝角範圍和單圓弧葉片風機相同,對比分析模擬結果後,選定了最優的雙圓弧葉片風機進口安裝角β1A為55°,出口安裝角β2A為170°,葉片的兩個圓弧半徑比δ(δ=Rk2/Rk1)為2,圓心角α1為80°,將該風機命名為shuang49,其靜壓升比原風機的靜壓升提高了74Pa。
  由於改進風機的葉片型線是期望提高風機的靜壓升來減小其轉速,以降低噪聲,因此風機的靜壓升提高值是在所有葉片型式中篩選最優葉片的標準;因此可見風機shuang49采用的雙圓弧葉片型式是最優葉片型式。
  在風機shuang49的雙圓弧葉片基礎上,本文又對風機的進口集流器進行了改進, 模擬計算12台采用偏心安裝集流器的風機和12台采用橢圓型集流器的風機。在對模擬結果進行了對比分析後,這24組風機中的最優機型為采用偏心比ε1ε2均為0.067,偏心角θ為0°的橢圓型集流器風機,命名為inlet6,其靜壓升提高值比原風機靜壓升提高了115.4Pa。
  分別在風機inlet6和原風機中截取了x=0的截麵,圖3為這兩個截麵處的流線圖。可以看出,風機inlet6在葉輪進口的渦旋麵積比原風機有所減小,風機inlet6的有效流通麵積約為葉輪進口麵積的2/3,而原風機的有效通流麵積僅為葉輪進口麵積的1/4左右,所以風機inlet6的流動性能比原風機更好,其噪聲情況也有所優化。

  為了對比分析葉輪內的速度分布,在兩台風機相同的葉輪出口位置選取了一條沿軸向從前蓋到後盤的直線,它們的徑向速度分布見圖4。
  從圖4中看出原機型在葉輪進出口靠近蝸舌處的徑向速度出現了負值,這說明在蝸舌處有從蝸殼到葉輪的回流,而風機inlet6在葉輪出口的徑向速度並沒有負值出現,其流動狀況比原機型有明顯的優化。
  由於風機inlet6的降噪原理是通過優化風機的性能,提高其靜壓升,以較小轉速,降低其噪聲,對風機inlet6進行了變轉速數值模擬,見表1。

  當風機inlet6的轉速減小到2 825r/min時,靜壓升和原機型相差不大,因此轉速可以由原來的3 000r/min減少約175r/min,其噪聲可大大降低。
2.2 蝸舌改進數值模擬
  共設計了21台斜蝸舌風機,其葉片采用了風機shuang49的雙圓弧葉片型線,但其集流器型式和原風機相同。經過對模擬結果的對比分析,選出了最優機型,命名為風機in-xie10,該風機輪蓋處蝸舌半徑r1為9.8mm,輪盤處蝸舌半徑r2為15.7mm,輪蓋處蝸舌最小間隙為10.25mm,蝸舌傾角為6°,其靜壓升提高值比原風機靜壓升提高了51.2Pa。
  分別在風機in-xie10和原風機內選取了垂直於旋轉軸的2個回轉麵y=0.02m,y=0.04m,並給出了蝸舌附近的靜壓梯度圖,見圖5和圖6。風機in-xie10在相應截麵蝸舌附近壓力梯度比原風機要小;因此可以得出風機in-xie10氣流對蝸舌表麵的非定常力比較弱,其產生的噪聲也較小。
 

  同樣對風機in-xie10進行了變轉速數值模擬,見表2。

  可以看出,風機in-xie10不但采用斜蝸舌可以降低噪聲,其葉片性能提高後,PVC水簾廠家,其轉速也可以由3 000r/min降低125r/min左右;因此其噪聲可以進一步降低。
3 結論
  本文提出了多翼風機葉片型線、進口集流器和蝸舌的改進方法, 對改進後機型進行了CFD數值模擬,並對模擬結果進行了對比分析,最後得到了兩個優化的風機機型。
  1) 以20組單圓弧葉片風機的模擬結果為樣本,通過響應麵方法進行優化,得到了最優機型的進口安裝角β1A為63.1°,出口安裝角β2A為170°,該機型性能比樣本模型和原機型均有提高,證明響應麵優化的方法可以用來進行風機葉片型線的優化。
  2) 模擬計算了葉片圓弧半徑R1為6.7mm, R2為13.4mm的雙圓弧葉片風機,結果表明其性能比原風機得到了大幅的提升,因此可以說明具有較大圓弧半徑的雙圓弧葉型多翼離心風機可以產生良好的空氣動力特性與低噪聲特性。
  3) 橢圓型進口集流器作為偏心安裝的一種特殊形式,在合適的參數下,能夠顯著地優化風機靠近輪蓋處葉輪進口的流動性能和噪聲性能。本文中,最優的橢圓型集流器的偏心比ε1ε2均為0.067,偏心角為0°,該風機葉輪進口處的渦旋麵積比原風機明顯減小。
  4) 多翼離心風機采用傾斜蝸舌代替傳統直蝸舌,可以使作用在蝸舌上的非定常壓力脈動產生一定的相位差,其相互疊加後壓力脈動情況減弱,使噪聲降低。

                 參 考 文 獻

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