摘要：为改善低比转速离心风机的气动性能，以6-27No.4.5型离心风机为研究对象，首先完成参数化建模，利用商业软件CFX求解雷诺平均N-S方程，通过调整过渡点位置分析双圆弧叶片特性，得到全压不低于单圆弧、全压效率最高的双圆弧叶片，与试验结果对比表明，额定点全压误差仅为1.8%，验证了仿真方法的正确性。在此基础上分析叶片数对气动性能影响，最后通过调整叶片进气的几何参数与响应面优化，得到最佳双圆弧叶片。结果表明，在保持进出口直径与安装角不变情况下，并非所有的双圆弧叶片风机全压高于单圆弧风机，而双圆弧叶片效率明显优于单圆弧叶片。随叶片数的增加，全压、效率均先增加后减小，对应最高值的叶片数分别为16片、9片。最高效点对应流量不随叶片数的变化而变化，最优风机在额定流量、全压相当的条件下，效率提高了3.3%，叶轮进出气得到明显改善，流道内流场更加流畅，湍流动能明显减低。双圆弧叶片可为低比转速离心风机的优化设计提供参考。
关键词：离心风机,数值计算,优化设计,双圆弧叶片,响应面
0引言
离心通风机，作为将电能转换为气体机械能的动力机械，在工业领域和日常生活中广泛应用。据统计，风机的年耗电量占全国的9%~10%[1-5]。在我国推动“双碳”目标的背景下，降低风机能耗、提高效率，显得尤为重要。
CFD技术的应用，为风机设计提供了一种高效、精确的预测工具，并得到了广泛的应用[6-10]。通过改变叶片数量分析风机气动性能，可得到最佳叶片数，全压和效率均有提升[10-12]。单圆弧叶片由于其制作简易，成本低而广泛应用于工程中，但其曲率保持不变，无法适配复杂的离心风机的叶间流道。而双圆弧叶片更容易实现改变型线以提高风机效率。王加浩等[14]在多翼离心风机优化中引入双圆弧设计，有效抑制了叶道涡的生成和发展，风量提升了9.7%。吴让利[15]采用数值模拟的研究方法，在保持叶片进出口安装角一致的前提下，得出双圆弧叶片的风机拥有更高的全压以及范围更广的稳定运行工况的结论。成伟国等[16]通过对高比转速风机的双圆弧叶片优化，得到了最佳的叶型，内部流场得到优化，流动损失明显减小，性能得到全面提升。以上所述比转速在40以上，通常为后向型离心风机，当比转速为7~40时，往往为前向叶片[17]，左文泉等[18]分析某前向多叶风机发现叶片吸力面容易产生流动分离，干扰叶道内主流的流动，能量不易转化顺利，风机的运行稳定性也会受到影响。李景银等[19]采用可控减速法对9-19前向离心风机进行重新设计，后弯叶片明显改善流场分布，流道内涡量明显减少。
本文针对6-27No.4.5型离心通风机进行优化，保持叶片进出口直径、安装角不变的情况下，对比单圆弧与双圆弧叶片、不同叶片数与不同圆弧对风机的性能参数的影响，为离心风机优化提供了一种新思路。
1数值计算
1.1几何模型
离心风机是利用高速旋转的叶轮将气体自集流器吸入，在惯性作用下沿半径方向离开叶轮，进入蜗壳后，将叶轮出口处的气体动压转换为静压，并最终将气体送出。本文以6-27 No.4.5型单圆弧离心风机为研究对象，由集流器、叶轮、蜗壳构成，首先通过三维建模软件对叶片型线进行参数化建模，原闭式叶轮的叶片为后向型单圆弧，叶片数N=12。在单圆弧叶片型线中间增加一个过渡点t变为双圆弧叶片，其中第一段圆弧采用后弯型，第二段圆弧采用前弯型，因为进口段的后弯型可实现进口角缓慢增长，而前弯型可以最大限度的实现出口段叶片角的快速增大，这样有利于减小流动损失[20]，过渡点位置由过渡圆直径Dt、过渡安装角βt构成双圆弧叶片的几何约束，其中主要设计及几何参数如表1所示。
1.2计算
如图1所示将计算域分为3部分，叶轮旋转域、进气静止域与蜗壳静止域，为提高计算收敛性，分别在进出气侧增加延长段，长度不低于进出口当量直径的5倍。在对流体域进行网格划分时，对整体面网格大小、体网格变化率进行全局设置，对叶片、不同域之间的交界面进行局部加密，保证在叶片数或型线发生变化时，面网格参数保持不变。
利用商业软件ANSYS CFX对风机进行了仿真分析，风机内部流动马赫数小于0.3，属于不可压缩流动，采用定常计算。内部雷诺数Re>4 000，属于湍流运动。对所
参考文献：
[1]安连锁.泵与风机[M].北京:中国电力出版社,2001.
[2]何川,郭立君.泵与风机[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]王洪旗,李广辉.泵与风机[M].北京:中国电力出版社,2012.
[4]刘洪敏.流体机械泵与风机基础[M].上海:上海交通大学出版社,2014.
[5]吴玉林,陈庆光,刘树红.通风机与压缩机[M].北京:清华大学出版社,2008.
[6]丁可金,孙玉祥,鞠毅,等.离心通风机叶轮内部流场数值模拟[J].风机技术,2010(6):24-26.
DING K J,SUN Y X,JU Y,et al.Numerical simulation of internal flow field of centrifugal fan impeller[J].Compressor,Blower&Fan Technology,2010(6):24-26.
[7]崔文豪,冯建军,朱国俊,等.基于叶片载荷分布的离心风机多目标优化设计[J].工程热物理学报,2024,45(7):1949-1959.
CUI W H,FENG J J,ZHU G J.Multi-objective optimization de⁃sign of a centrifugal fan based on the blade loading distribution[J].Journal of Engineering Thermophysics,2024,45(7):1949-1959.
[8]李赞.基于叶片数量分析的离心风机工作性能研究[J].机械管理开发,2024,39(5):67-68.
LI Z.Research on the working performance of centrifugal fan based on blade number analysis[J].Mechanical Management and Development,2024,39(5):67-68.
[9]曹淑珍,祁大同,张义云,等.小流量工况下离心风机蜗壳内部的三维流动测量分析[J].西安交通大学学报,2002,36(7):688-692.
CAO S Z,QI D T,ZHANG Y Y,et al.Measurement and analysis of three-dimensional flow in a centrifugal fan volute at low flow rate[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2002(7):688-692.
[10]侯佳鑫.基于叶片出口角的低噪声船用离心风机优化设计[D].武汉:华中科技大学,2021.
[11]赵征,李彬,李小辉,等.叶片数对高比转速离心风机气动性能和噪声影响的分析[J].流体机械,2020,48(11):48-52.
ZHAO Z,LI B,LI X H,et al.Analysis on the effect of the num⁃ber of blades on the performance and noise of a high specific speed centrifugal fan[J].Fluid Machinery,2020,48(11):48-52.
[12]黄忠文,刘之雷,陈加瑞.离心风机基于FLUENT的叶片数量分析[J].化学工程与装备,2018(11):272-274.
[13]王本义.某型城际动车组牵引变压器冷却单元用离心风机优化设计[J].机电工程技术,2020,49(6):118-121.
WANG B Y.Optimal design of centrifugal fan for traction trans⁃former cooling unit of an inter-city emu[J].Mechanical&Elec⁃trical Engineering Technology,2020,49(6):118-121.
[14]王加浩,刘小民,田晨晔,等.多翼离心风机双圆弧叶片的参数优化设计及气动性能分析[J].西安交通大学学报,2022,56(3):94-104.
WANG J H,LIU X M,TIAN C Y,et al.Parametric optimization design of double-circular arc blade used in multi-blade centrif⁃ugal fan and its aerodynamic analysis[J].Journal of Xi'an Jiao⁃tong University,2022,56(3):94-104.
[15]吴让利,吴沛佳,秦国良.叶片型线对离心风机性能影响的研究[J].风机技术,2014,56(1):31-36.
WU R L,WU P J,QIN G L.Numerical research on the effect of blade profile on performance of centrifugal fan[J].Compressor,Blower&Fan Technology,2014,56(1):31-36.
[16]成伟国,秦国良,雷健,等.采用分组模型的高比转速离心风机改进设计[J].流体机械,2024,52(3):81-88.
CHENG W G,QIN G L,LEI J,et al.Improvement design of high specific speed centrifugal fan by grouping model[J].Fluid Ma⁃chinery,2024,52(3):81-88.
[17]商景泰.通风机使用技术手册[M].北京:机械工业出版社,2011.
[18]左文泉,田新诚,常宏敏.前向多叶离心式通风机叶道流场的稳定性研究[J].中国机械工程,2005(16):1154-1157.
ZUO W Q,TIAN X C,CHANG H M.Stability study on blade channel flow field of forward multi-blade centrifugal fan[J].Chi⁃na Mechanical Engineering,2005(13):1154-1157.
[19]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,2009,43(9):67-70.
LI J Y,NIU Z N,LIANG Y X.Design of 2d blade curves of cen⁃trifugal fans by controlled deceleration flow method[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2009,43(9):67-70.
[20]张晓伟,杨爱玲,陈二云.离心风机双圆弧型线的气动特性研究[J].能源工程,2018(2):7-11.
ZHANG X W,YANG A L,CHEN E Y.Study on the aerodynamic characteristics of the double circular arc profile of the constant thickness blade of centrifugal fan[J].Energy Engineering,2018(2):7-11.
[21]李俊.高效低噪声离心式通风机的数值模拟与优化设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2012.
[22]安然.某永磁电机冷却风机优化设计[J].机电工程技术,2023,52(7):146-149.
AN R.Optimized design of centrifugal fan for permanent mag⁃net motor[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology,2023,52(7):146-149.
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