加长叶片对离心风机性能及噪声影响的实验研究（2）

    数值模拟采用 FLUENT 软件，计算过程采用SIMPLE 算法来耦合压力场和速度场，二阶迎风差分格式，收敛判据为变量残差绝对值小于 10 −3。近壁处采用标准壁面函数。在流动入口即集流器处给出均匀分布的速度场作为入口边界条件，给定大气压强值作为出口边界条件， 叶轮转速为 1450 r/min。计算中，假定气流作不可压缩稳定流动，并忽略重力的影响。计算中采用 RNG k- ε 紊流模型，其他关键技术详见文献.

1.2 加长前后的内流特征

    原风机叶片加长后，叶轮直径也同时增大，而由叶片式泵与风机的能量方程式 [1-2] 可知， 风机的做功能力与叶轮外径成正比，因而气流总压在风机内将显著提高。
    图 3 和图 4 表明，叶轮叶片加长后风机中的气流自叶片加长部分附近，总压明显升高。而且，由于风机叶轮加大后，蜗壳尺寸并未改变，因而蜗壳内气体的流通面积相应减少，使得蜗壳内气体流速加快，总压进一步增加。图 3 和图 4 还表明，叶轮叶片加长的同时，蜗壳内流场的均匀性也有所下降，同时蜗壳内气流速度加快，使得蜗壳损失相应增加 [12-13] ，将导致风机效率有所下降。
    图 5 为叶轮叶片加长前、后蜗舌附近总压分布的对比图。气流在叶轮内的压力面和吸力面上，石家庄风机厂压力分布均为从叶片前缘至后缘逐渐增大。另外由于气体流动的连续性，且叶片加长前后风机出口均设定大气压强作为边界条件，这使得叶片加长后对气体总压的影响并不局限于加长部分之后，对加长部分之前也会有影响。比较图 5 中叶轮入口处的低压区可知，叶片加长后，叶轮入口处低压区域的面积有所减少。

2 实验研究
2.1 风机性能实验研究
    风机性能实验系统如图 6 所示，实验台布置，测量仪表选取及实验过程遵循 GB/T 1236—2000《工业通风机—用标准化风道进行性能实验》[14] 。实验中采用安装于风机出口管道上的节流锥调节流量，采用倾斜式微压计在入口管道集流器后的测点测量静压并计算流量， 采用 2 支 U形管测压计分别在风机入口管道和出口管道上测量静压并结合已测得的流量数据计算风机全压。采用 CYB–803S型扭矩仪测量风机的轴功率。实验中所用仪表的精度和计算所得风机性能参数的误差如表 1 所示。

    首先对离心通风机的每个叶片沿叶片出口角方向加长 54 mm ，并把前盘后盘补齐到 880 mm 进行加长 10% 的性能实验，之后，再把叶轮切割至840 mm 进行加长 5% 的性能实验。图 7 为实验所用原始风机叶轮和加长到 880 mm 的风机叶轮的对比图。
    实验选取 10 个不同流量进行测量，对所测数据进行整理后，得到风机全压、轴功率及效率与流量的关系曲线如图 8 、 9 所示.

    图 8 表明，叶轮叶片加长后，全压性能曲线和轴功率性能曲线均向上方移动，风机的全压和轴功率均得以提高。假定风机所在管路的特性曲线为过原点的抛物线，这样可在图 8 中通过原始风机上的各个工况点做出多条管路特性曲线，分别找出这些管路特性曲线与风机叶轮叶片加长后全压– 流量性能曲线的交点，即叶轮叶片石家庄风机加长后在不同管路特性曲线下的运行工况点，通过曲线拟合出公式并计算可得到其相应参数。

    考虑到实际工程中之所以要加长风机叶片是由于原风机出力不足，需要增加风机出力，因而大流量区风机能参数的变化对工程实际更有意义。因此，在原风机性能曲线的大流量侧绘制了 6 条不同管路特性曲线， 所得运行工况点参数如表 2 所示。将表 2 中叶轮叶片加长前、后运行工况点的流量、全压和轴功率等参数进行对比可知，以原始风机运行参数为基准，当叶轮叶片加长 5% 时，流量提高3.8%~5.9% ，平均增加 4.9% ；全压提高 7.5%~12% ，平均增长 10% ； 轴功率增大 15%~16.1% ， 平均增大15.7% 。 当叶轮加长 10% 时， 流量提高 9.8%~11.2% ，平均增加10.5% ，全压提高 20.5%~23.8% ，平均提高 22.1% ，轴功率增大 29.4%~30.8% ，平均增大30.2% 。以上数据表明，如果以各参数增加幅度的百分比计算，则流量的增加幅度约为 1 倍叶片加长量，全压的增加幅度约为 2 倍叶片加长量，轴功率的增加幅度约为 3 倍叶片加长量。