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user: 3. 高比转速工况下叶轮结构参数改变结果分析 叶轮是离心风机的核心气动部件，叶轮损失也是整个风机损失的主要来源，当叶轮处于偏离设计工况，即在高比转速工况下运行时，此时叶轮内部流动更加复杂，流动损失加大。因此若想提高高比转速工况下离心风机性能，对叶轮结构参数的研究意义重大。本文拟改变叶片数、轮径比、出口安装角、宽径比，而其它结构不变，研究高比转速工况离心风机的性能变化规律。 3.1. 叶片数对高比转速离心风机性能的影响 叶片数是决定风机气动性能的主要参数之一，叶片数过多会使气流的有效通流面积减小，导致叶轮入口的冲击损失以及沿程摩擦损失加剧，风机全压和效率下降。而叶片数过少则会加剧二次涡流的形成。在高比转速工况下，流量急剧增大，流动阻塞以及叶片与气流的沿程摩擦将成为主要流动损失，因此在考虑调整叶片数时，叶片数应适当减少。在其它条件不变的情况下，仅改变叶片数，研究其对离心风机性能的影响。原风机模型叶片数为Z = 16，拟选取叶片数Z = 14、Z = 12、Z = 10、Z = 8、Z = 6，并分别重新建立模型，并进行数值模拟计算。 叶片附近是气流变化最为剧烈的部位，网格的分布也最为密集，因此在对叶轮叶片数讨论过程中，由于叶片周围存在复杂流动，因此需要重新进行网格无关性验证，其结果如表3。为了节约计算资源，选择230万网格数作为6~10叶片叶轮模型的网格数量。 Table 3 Verification of grid independence of 8-blade impelle 序号 叶轮网格数 静压/Pa 全压/Pa 全压效率/% 1 250万 267.52 409.80 75.33 2 230万 267.25 409.36 75.25 3 200万 268.40 411.74 75.69 4 150万 256.73 400.3 73.58 表3. 8叶片叶轮网格无关性验证 图4为不同叶片数模型的无因次性能曲线。叶片数为10~14的模型中，高比转速区域的静压效率平均高于原模型约3%~5%。而6、8叶片模型在高比转速区域也有不低的静压效率，且在区间内较原模型高5%~8%。 图4. 不同叶片数性能曲线 在同一流量区间内，随着叶片数的减少，压力随之减小，10叶片以下压力减小速度明显变大。在大流量系数区间，随着叶片数的减少，风机压力降低明显，而风机比转速变大，并且叶片数越少，对应比转速越大，静压效率曲线越平缓。叶片数6~12时，在流量区间内压力降低，但其效率均有所提升，说明在流量区间内，压力下降适合于提升静压效率，特别是在高比转速区间(90~110)，以叶轮在高比转速工况下的高效率为目标，需要在原基础上减少叶片数。 如图5为不同叶片数叶轮在流量系数为0.26时的50%叶高速度云图。由图可知，随着叶片数的减小，流道越来越大，叶片吸力面流动分离趋势逐渐增加，叶片入口低速流体逐步向叶轮径向扩展，因此，随着叶片数的减少，流道内扩压度增大，气流离开叶轮落后角增加，平均速度下降，导致压力降低。但由于叶片少，阻塞程度下降，叶轮的通流能力显著提升，利于大流量工况运行，仅需合理控制流道内的流动分离损失。 显然，叶片数降低，叶片流道的相对通流能力增大，意味着该类流动特点适合于大流量的流动，即离心风机的高比转速运行工况。 图5. 不同叶片数50%叶高速度云图 3.2. 轮径比对高比转速离心风机性能的影响 叶轮进出口直径D 1 和D 2 的确定原则为叶道内的流动损失最小，由于流动损失与叶片进口相对速度的平方成正比，可知进口相对速度越小，损失越小。如果进口直径过大，则圆周速度增大，导致气流进口相对速度很大；如果进口直径过小，但径向速度会因为进口截面积的减小而增大，使得相对速度很大。因此对于轮径比，必须选择一个合适的值。目前轮径比D 1 /D 2 的确定一般采用推荐值，但是在本文所研究的高比转速工作区间，进口相对速度必然增大，损失也会增大。因此考虑改变进口直径时，讨论其进口损失及流道变化对整机效率的影响。 以原型风机轮径比D 1 /D 2 = 0.704为基础，将其缩放为原来的0.94、0.97、1.03、1.06、1.09、1.12倍，并与原型进行对比，以经济性原则考虑，不改变叶轮出口直径以匹配其它部件，即D 2 = 500 mm不变，依照轮径比改变D 1 的大小。 如图6为不同轮径比叶轮性能曲线。由图6(a)可知随着轮径比的增大，在比转速为90~110的区间，1.06倍轮径比的静压效率曲线最高，较原模型提升3%左右，同时变化趋势也最平缓。轮径比减小时，在低比转速区域可以较为明显的提高风机性能，静压效率提升了7%，但同时也会导致比转速覆盖范围变小。而其余不同轮径比的模型，特别是在比转速为100及以上的工况区间，效率较原始模型提升不明显，甚至低于原始模型。 由图6(b)可知，当轮径比增大时，在流量系数为0.26之后的区域可以发现出现了曲线间断的现象，1.03倍轮径比曲线尤为明显，此时压力升高，性能曲线不连续，为风机大流量工况的断裂点。断裂点通常出现在大流量区间，此时蜗壳内部流动复杂，形成大量涡流，出现断裂点，导致性能曲线不连续。 图6. 不同轮径比性能曲线 图7分别为1.06、1.09、1.12倍基础风机模型轮径比的180˚子午面速度流线图。随着轮径比增大，叶片逐渐缩短，气体在流道内没有得到充分发展，导致二次流加剧，特别是1.09~1.12倍轮径比模型，在流道间产生了巨大的漩涡，造成了很大的流动损失。表明在高比转速工作区间，流量偏大，增大轮径比虽然可以在一定程度上减小流动损失及摩擦损失，但是二次流的发展也会使损失加剧，因此选择一个适合的轮径比仍比较重要。 图7. 不同轮径比180˚子午面速度流线图 3.3. 宽径比对高比转速离心风机性能的影响 对于宽径比b 2 /D 2 ，当其它设计参数不变时，宽径比增大带来出口角减小，叶片出口宽度增大。前者有利于效率提高，后者却会导致叶轮通道扩压度增大，引起分离 [ 21 ]，并且会使压力上升，在高比转速工作区间，为大流量、低压头的工作环境，不能一味增大宽径比。为了研究宽径比改变对高比转速工况离心风机的性能变化规律，在原宽径比基础上，维持风机出口直径D 2 不变，增大出口宽度b来改变宽径比，分别取原风机宽径比的0.92倍、0.96倍、1.04倍、1.08倍、1.12倍，进行建模及数值模拟。 如图8分别为不同宽径比下的性能曲线。由图可知，宽径比减小，在流量考核范围内，压力变化不大，因此比转速变化也不大，但是静压效率升高；0.92倍宽径比时静压效率曲线分布处于最上方。 图8. 不同宽径比性能曲线图 图9为0.96倍、1.08倍、1.12倍宽径比的离心风机模型，在流量系数为0.26，比转速均处于90附近的180˚子午面总压–流线图。由图可知，在叶轮流道内，随着宽径比的增大，二次流造成的影响逐渐增大；1.08倍宽径比时，仅在叶高50%处附近产生了一定程度的阻塞，而1.12倍宽径比时，则在50%以上部分均有不同程度的阻塞，并且形成了明显的回流，说明宽径比过大在高比转速工况下会导致边界层分离加剧。而在蜗壳通道，随着宽径比的增大，可以发现蜗壳通道内无论是涡的数量还是剧烈程度，均有明显改善，降低了流动损失。 图9. 不同宽径比180˚子午面速度流线图 3.4. 出口安装角对高比转速离心风机性能的影响 在后向式叶轮中，在合理的范围内，随着出口安装角的增大，流量-压力性能曲线会向右上方移动，出口安装角过度增加，又会使全压中的动压比例升高，增大流动的扩散度导致效率下降。为了探究在高比转速区间不同出口安装角叶轮的风机性能，在基础模型出口安装角β 2 为39˚的基础上，取β 2 = 36˚、42˚、45˚、48˚，对叶轮建模，并划分网格，与其余各部分流体域组合后进行数值模拟计算。 图10为不同出口安装角下离心风机的性能曲线。由图可知，随着出口安装角的增大，压力升高，使新模型性能曲线的最佳工况点快速左移，向低比转速方向移动；出口安装角减小时，可以发现其性能曲线较其他曲线明显处于上方，在比转速覆盖区域差别不大的情况下，静压效率较高。同时结合两图可以看出，出口安装角的变化，并不会使比转速的覆盖范围产生明显的变化。 根据叶片出口安装角的变化，可以看出，随着叶片出口安装角的降低，压力降低，比转速变大，性能曲线向高比转速方向移动，且效率有所提高。 图10. 不同出口安装角性能曲线图