基于CFD的离心风机蜗壳优化研究

张 琦 邵准远 徐淑君 贾会勉

（浙江上风高科专风实业有限公司）

基于CFD的离心风机蜗壳优化研究

张 琦 邵准远 徐淑君 贾会勉

（浙江上风高科专风实业有限公司）

为研究离心风机蜗壳出口宽度对风机性能的影响，用solidworks建立了风机模型，并通过测试验证了模型选取的合理性。在原风机模型基础上，改变蜗壳出口宽度，对两种不同出口宽度的风机进行气动优化计算分析，优化后的模型效率提高了4.5%。研究表明：蜗壳出口宽度偏小，其流量小，压力大，效率低；蜗壳出口宽度偏大，流量大，压力小。

CFD；蜗壳优化；离心风机；蜗壳

0 引言

离心通风机蜗壳的作用是将叶轮甩出的气体集中、导流，并将其部分动能转变为压能[1]。蜗壳内的气流相对比较复杂，蜗壳的出口存在边界层分离和回流，蜗壳通道内部存在旋涡[2-4]。流体和蜗壳壁面之间摩擦、压力梯度及离心力不平衡导致了二次流以及曲率对流动结构的影响，使得蜗壳内的流场极为复杂[5]。

在离心风机的叶轮流道中，叶轮出口沿周向气体速度和压力不均匀。叶片出口附近存在较为严重的边界层分离现象。叶片表面存在附面层，随着叶轮旋转，吸力面和压力面附面层的结构和形态是不同的。叶片吸力侧形成的低能流积聚的“尾迹区”，形成“射流-尾流”结构[6-7]。尾迹区减少了流道有效通流面积，对风机性能产生不良影响[8]。叶轮出口气体流速较大，存在比较大的速度梯度，气流从叶轮进入蜗壳时，突然流动面积变大，存在一定的流动损失。蜗壳的蜗舌间隙，很大程度上影响蜗壳内的流动情况。蜗舌间隙太小，风机噪声大；蜗舌间隙太大，存在较大环流，影响风机效率。设计与叶片匹配度比较高的蜗壳，可以改善叶轮流道内的流动情况，蜗壳内的流场分布，影响风机的整体性能。

以某高压离心风机为研究对象，通过CFD气动模拟仿真，分析该风机的流场和气动性能。在原风机模型的基础上，提出优化方案，对不同蜗壳开度的模型进行气动计算分析，选取最优模型，提高了风机效率。

1 研究对象

我公司某高压离心风机，其叶轮直径为630mm，风机运行转速2 900r/min，长叶片数16个，短叶片数16个。风机运行最高效率工况8 100m3/h，全压为10 420Pa，效率73.2%。此风机属于高压离心风机，其流量系数0.075，压力系数0.947，比转速为23。

在Solidworks中建立三维气动模型。把风机计算域分为两个部分，转子部分的旋转域和其他部件组成的流场域（采用相对坐标系进行计算）。两个域通过交界面连接，进行质量、动量以及能量传递。建立完三维气动模型之后，导入网格划分软件，进行网格划分。

由于影响离心风机性能的关键部位为叶轮、蜗舌、集流器及径向间隙，因此为了计算的准确性，对这3个部件进行网格特殊加密处理。通常，离心风机出口处存在回流现象，为了方便计算，风机的进出口都适当的延长。

离心风机结构相对比较复杂，用结构化网格难度大，研发周期长，并且结构化网格很难处理“径向间隙”等问题，如果忽略径向间隙，会导致计算性能偏高。而非结构化网格对几何的适配性非常强，处理径向间隙相对比较容易。离心风机转子离静止部件比较远，边界层影响较轴流风机小很多。为了准确计算风机性能，采用非结构网格进行计算，网格数为1 200万，在大型工作站中完成本模型的计算仿真，图1和图2分别为风机预处理模型和网格图。

为了保证计算精度，首先对模型进行稳态模拟，在稳态模型的基础上，以稳态模型为初始条件，进行瞬态计算。

稳态模型计算设置如下:

计算模型为稳态；流体介质为完全气体；转子转速为2 900r/min；湍流模型采用k-ε模型；边界条件:1）进口选用全压；2）出口选用流量；3）固体壁面采用无滑移光滑壁面；4）交界面模型采用通常连接，坐标变换模型采用冻结转子；数值算法：对流项采用高解析度，湍流数值算法采用一阶格式。

图1 风机预处理模型图Fig.1 Fan model

图2 风机网格图Fig.2 Fan model grid

稳态计算结果是否收敛很大程度上影响后面瞬态计算，评价计算结果是否收敛，要综合以下几个因素来判断计算是否已经收敛：1）模型残差（RMS）达到标准；2）计算物理参数基本无变化，趋于稳定；3）进出口质量差小于0.5%。

模型达到以上三个要求，基本可以断定模型已经收敛。在稳态计算模型的基础上，稳态计算文件为初始条件，进行瞬态计算。根据风机特征长度，确定瞬态的计算时间步长，特征速度以及网格特征尺度由计算得到。

2 流场分析

此风机为前向离心风机，相比后向离心风机，其流道内的有效流通面积相对比较小，“射流-尾迹”结构比较明显。由图3和图5可看出，高压前向离心风机流道内存在“射流-尾迹”结构，由于蜗壳的不对称性，导致流场比较复杂，流场内局部存在较大的速度梯度。图4表明，在A和B位置，压力都较大；C位置存在明显风负压带。叶轮出口的压力分布不规则。

图3 径向截面流场图Fig.3 Radial section fan flow field of distribution chart

图4 径向截面压力分布图Fig.4 Pressure distribution of radial direction section

由图5可看出，1，2位置气流倒灌入叶轮流道，使该流道整体堵塞，在a和b位置形成旋涡。此流道不但减少了叶片流通面积，还造成了比较大的流动损失。此流道的相邻流道中，气流从3位置进入，从4位置流出，形成一个短期的小环流。导致了4位置出口流速梯度比较大，也造成了一定的流动损失。

图5 蜗舌部位局部流场图Fig.5 Part flow field of volute

图6和图7可看出，计算值和实测值基本吻合，计算结果比较准确，说明模型的处理和计算都是合理的。

图6 计算和实测值的流量-效率曲线图Fig.6 The efficiency with different flow rate of calculation and experiment value

图7 计算和实测值的流量-全压曲线图Fig.7 The total pressure with different flow rate of calculation and experiment value

3 蜗壳优化方案及优化模型的流场分析

根据以上的流场分析，可看出原风机模型设计不合理，要对原始风机进行优化设计。提出对蜗壳开度重新设置，在保证蜗舌间隙及其他型线不变的前提下，只改变风机出口处的蜗壳开度，形成新的蜗壳型线。

原始风机模型出口宽度为208.5mm，经过分析，确定方案一：调整风机出口宽度为220mm。方案二：调整风机出口宽度为236.5mm。蜗壳型线如图8。

图8 三个模型的蜗壳型线图Fig.8 The volute profile of three models

由表1，2，3及图9，10可看出，当蜗壳出口宽度变大时，风机全开流量变大，全压稍微降低。三个模型中，效率最高的是方案1，方案2次之，原风机模型效率最低，它们的最高效率点都在流量为8 103m3/h，没有出现偏移现象。原模型和方案1都在8 103m3/h时开始回落，而方案2到了7 524m3/h才开始回落，喘振点往小流量区偏移。

表1 原始风机气动性能表（出口宽度208.5mm）Tab.1 Aerodynamic performance of original fan with outlet width 208.5mm

表2 方案1模型气动性能表（出口宽度220mm）Tab.2 Aerodynamic performance of fan model with outlet width 220mm

表3 方案2模型气动性能表（出口宽度236.5mm）Tab.3 Aerodynamic performance of fan model with outlet width 236.5mm

图9 三个模型的流量-全压图Fig.9 The pressure with different flow rate of three fan models

图10 三个模型的流量-效率图Fig.10 The efficiency with flow rate of three fan models

4 优化模型流量分析

通过以上分析，方案1效率最高，为77.9%，原始风机模型最高效率为73.4%，提升了4.5%。

图11显示，优化后的压力分布更加规则，叶轮出口处的静压更加平滑。C1处的低压区基本消除，减少了气流倒灌的可能性；B1处的高压带变窄变短。

图11 优化模型径向截面静压分布图Fig.11 The static pressure distribution of radial section in optimal model

由图12看出，蜗舌附近的叶片流道内气流通畅，没有出现气流倒流现象。流道内的有效通流面积明显增大。

图12 优化模型蜗舌局部流场图Fig.12 Part flow field of volute tongue in optimal model

6 结论

通过以上分析可得出：

1）CFD模拟仿真的计算结果和实测结果比较吻合，三维计算能显示和分析蜗壳内的流场情况，为优化设计提供优化方向。

2）在叶轮确定的情况下，蜗壳和叶轮存在最佳匹配蜗壳型线。匹配度高的蜗壳型线能提高风机效率。

3）蜗壳出口宽度偏小，其流量小，压力大，效率低，流场分布不合理；蜗壳出口宽度偏大，流量大，压力小;蜗壳出口宽度适当，蜗壳匹配度高，流场和压力分布合理，模型效率高。

[1]慈蕾，谢蓉，孙涛，等.离心式压缩机蜗壳优化设计［J］.燃气轮机技术，2005,18（2）:40-44.

[2]吕峰，牛子宁，李景银，等.离心风机蜗壳内部流动研究［J］.流体机械,2009,37（6）:14-19.

[3]Van Den Braembussche,Hande.Experimental and Theoretical Study of the Swirling Flow in the Volute of Centrifugal Compressor Volutes［J］.Journal of Turbo machinery,1990.

[4]Elholm,E.Ayder,Van den Braembussche.Experimental Study of the Swirling Flow in the Volute of a Centrifugal Pump［J］.Journal of Turbo Machinery,1992.

[5]周莉，张鑫.离心压缩机蜗壳内部流动的研究［J］.风机技术，2010（5）：5-10.

[6]邵准远，杨笑梅，任华江.新型高效5-29离心通风机模型开发［J］.风机技术，2017（2）:13-18.

[7]张成成，王维民，张娅，等.实际气体对CO2离心压缩机CFD模拟的影响［J］.风机技术，2016（5）:24-30.

[8]Sabareesh R.Effect of Splitter Vanes on Blower Performance［J］.International Journal of Research&Development Organisation,2015.

Optimization Analysis of a Centrifugal Fan Volute Based on CFD

Qi ZhangZhun-yuan ShaoShu-jun XuHui-mian Jia
（Zhe Jiang Shang Feng Industrial Holdings Co.,Ltd.）

A centrifugal fan is modeled by Solidworks to analyze the effect of the outlet width of a centrifugal fan volute on the performance of the fan.First,the Solidworks model is verified by a test,subsequently the outlet width of the volute is varied,i.e.,two fans with different outlet width of the volute are simulated.The optimal width increases the efficiency by 4.5%after test.The results show that the fan with a smaller outlet width of the volute has a smaller flow rate and higher pressure,but lower efficiency.The larger outlet volute width of the fan has a higher mass flow rate but smaller pressure ratio.

CFD，volute optimization，centrifugal fan，volute

TH432；TK05

1006-8155-(2017)05-0032-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0005

2017-07-24 浙江 绍兴 312302