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生產(chǎn)負(fù)壓風(fēng)機_多翼離心風(fēng)機改進(jìn)設(shè)計

Abstract
摘要:為獲得流動性能和噪聲性能的優(yōu)化,對多翼離心風(fēng)機葉片、進(jìn)口集流器和蝸舌進(jìn)行了改進(jìn),并采用CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT對這些機型進(jìn)行了模擬計算,通過對其流場進(jìn)行對比分析得到了兩臺流動和噪聲性能均比原風(fēng)機顯著提高的機型。
關(guān)鍵詞:多翼離心風(fēng)機;降噪;葉片型式;集流器型式;斜蝸舌;CFD數(shù)值模擬
中圖分類號:TH432 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)機由于具有較大的壓力系數(shù)和流量系數(shù)以及較緊湊的結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)中。汽車空調(diào)在運行時特別是全功率運行時,如果噪聲較大,會影響車內(nèi)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(wù)是對汽車空調(diào)用多翼離心風(fēng)機進(jìn)行改進(jìn),以求流動性能和噪聲性能都得到優(yōu)化。
1 多翼離心風(fēng)機改進(jìn)設(shè)計
  本文擬通過兩種途徑來優(yōu)化風(fēng)機流動性能,降低其噪聲:一是通過改變多翼離心風(fēng)機的形狀,如改進(jìn)風(fēng)機蝸舌;二是通過改變多翼離心風(fēng)機的結(jié)構(gòu)來提高它的壓升,從而降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速,如改進(jìn)風(fēng)機的葉片和進(jìn)口集流器。
1.1 葉片改進(jìn)
1.1.1 單圓弧葉片及響應(yīng)面優(yōu)化
  單圓弧葉片因設(shè)計容易,制造簡單,常被多翼離心風(fēng)機采用[1] ,如果葉片進(jìn)出口角選取合適的話,單圓弧葉片風(fēng)機可以取得較好的性能。
  在葉片的進(jìn)口安裝角β1A和出口角安裝角β2A以及葉輪內(nèi)徑D1、葉輪外徑D2確定之后,圓弧葉片的曲率半徑R可按下式計算:

    

  傳統(tǒng)的設(shè)計方法中,進(jìn)出口角的選取沒有公式可遵循,多數(shù)文獻(xiàn)推薦出口安裝角β2A一般在155°~170°,而進(jìn)口安裝角β1A可選擇的范圍則相對較大,為55°~110°。
  當(dāng)有一定量的試驗或者模擬結(jié)果后,響應(yīng)面優(yōu)化方法可以用來優(yōu)化風(fēng)機的單圓弧葉片型線。響應(yīng)面優(yōu)化方法是用一個簡單的函數(shù)關(guān)系近似替代復(fù)雜的實際模型以用來進(jìn)行計算分析和優(yōu)化的方法[2-3] ,它將設(shè)計目標(biāo)定義為響應(yīng),廠房負(fù)壓風(fēng)機,設(shè)計變量定義為因素,響應(yīng)y和因素xi之間存在著函數(shù)關(guān)系式:

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

  二階多項式最常被采用作為響應(yīng)面的近似函數(shù),如式(4):

    

  上式中k為設(shè)計變量的個數(shù),當(dāng)設(shè)計變量為兩個時,式(4)簡化為式(5):

   y=β0βx1+β2x2+β3x12+β4x22+β5x1x2  。ǎ担

  對上式做以下變換:x3=x12,x4=x22,x5=x1x2,則式(5)可變?yōu)椋?/p>

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

  若試驗的總次數(shù)為n,則式(6)可以表示為如下矩陣型式:

   

  編制程序求解出系數(shù)向量α后,即可得到設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計變量之間的函數(shù)關(guān)系,求解該函數(shù)的極值就可得到最優(yōu)的設(shè)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(fēng)機也可以產(chǎn)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(fēng)機雙圓弧葉片型線的參數(shù)總共有8個:進(jìn)出口安裝角β1Aβ2A,葉輪內(nèi)外徑D1D2,葉片圓弧半徑Rk1Rk2,葉片圓心角α1α2。
  雙圓弧葉片參數(shù)的計算方式和單圓弧葉片類似,可以在確定葉片進(jìn)口角β1和出口角β2的基礎(chǔ)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(shù)。換句話說,已知葉輪內(nèi)外徑D1D2,進(jìn)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(fēng)機;2的值也就隨之確定。
1.2 集流器改進(jìn)
  集流器的作用是引導(dǎo)氣體進(jìn)入多翼離心風(fēng)機,氣流通過集流器后由軸向流動轉(zhuǎn)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(chǎn)生渦旋,使多翼離心風(fēng)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(fēng)機內(nèi)部流體的分布情況,特別是風(fēng)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(fēng)機的性能,降低風(fēng)機的噪聲是十分必要的。
  大量的試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明,蝸殼內(nèi)部的流道中有著很嚴(yán)重的分離,有時還會出現(xiàn)回流,因此可以采用偏心安裝集流器代替?zhèn)鹘y(tǒng)集流器,即將集流器向風(fēng)機蝸殼內(nèi)部偏置一定的距離,以優(yōu)化其流場[6] 
  橢圓型進(jìn)口集流器作為偏心安裝集流器的一種特殊形式[7] ,其截面型式見圖1。該截面由四個部分組成,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,截面的傾角為θ。定義偏心距ε1=L1/D1ε2=L2/D2則給定截面傾角θ,偏心距ε1ε2,就可以確定橢圓型集流器的截面型線。
 

1.3 蝸舌改進(jìn)
  多翼離心風(fēng)機的噪聲主要有渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲兩種,大量實驗表明,旋轉(zhuǎn)噪聲在多翼風(fēng)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(gòu)成旋轉(zhuǎn)噪聲的主要來源[8] ,因此蝸舌結(jié)構(gòu)對多翼離心風(fēng)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(guī)直蝸舌,以優(yōu)化風(fēng)機的噪聲情況[9] ,其結(jié)構(gòu)見圖2。蝸舌半徑從輪蓋到輪盤的變化范圍為r1r2 ,蝸舌與葉輪最小間隙從輪蓋處的t1變化到輪盤處的t2,并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(zhuǎn)動了角度θ。

  多翼離心風(fēng)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(chǎn)生的非定常壓力脈動,由于斜蝸舌的傾斜結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的相位差,具有相位差非定常力相互疊加,其產(chǎn)生的噪聲結(jié)果必定小于采用直蝸舌沒有相位差的噪聲疊加結(jié)果。
2 數(shù)值模擬及流場分析
  在GAMBIT中對多翼離心風(fēng)機建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量,將整個風(fēng)機的計算域分為了進(jìn)口集流器、輪轂、葉輪流道區(qū)域以及蝸殼四個部分,每一個部分的網(wǎng)格都單獨劃分。對于像蝸舌處流動比較復(fù)雜的區(qū)域,可以進(jìn)行網(wǎng)格加密。本文中多翼離心風(fēng)機整體網(wǎng)格數(shù)約為300萬,且風(fēng)機模擬結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性已經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)格式離散,進(jìn)口條件為速度進(jìn)口條件,出口條件為壓力出口條件,葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,計算殘差定為10-6。
2.1 葉片和集流器改進(jìn)數(shù)值模擬
  首先模擬了20組單圓弧葉片風(fēng)機,它們的進(jìn)口安裝角β1A依次為55°、60°、65°、70°和75°,對應(yīng)每個進(jìn)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(fēng)機數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,選取靜壓升為設(shè)計目標(biāo),葉片進(jìn)口安裝角β1A和葉片進(jìn)口安裝角β2A為設(shè)計因素,采用響應(yīng)面優(yōu)化方法對單圓弧葉片風(fēng)機進(jìn)行了優(yōu)化,得到了最優(yōu)機型的進(jìn)口安裝角β1A為63.1°,出口安裝角為170°,命名為風(fēng)機xym,其靜壓升比原風(fēng)機的靜壓升提高了73.1Pa。
  然后模擬計算了40組雙圓弧葉片風(fēng)機,它們的進(jìn)出口安裝角范圍和單圓弧葉片風(fēng)機相同,對比分析模擬結(jié)果后,選定了最優(yōu)的雙圓弧葉片風(fēng)機進(jìn)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(fēng)機命名為shuang49,其靜壓升比原風(fēng)機的靜壓升提高了74Pa。
  由于改進(jìn)風(fēng)機的葉片型線是期望提高風(fēng)機的靜壓升來減小其轉(zhuǎn)速,以降低噪聲,因此風(fēng)機的靜壓升提高值是在所有葉片型式中篩選最優(yōu)葉片的標(biāo)準(zhǔn);因此可見風(fēng)機shuang49采用的雙圓弧葉片型式是最優(yōu)葉片型式。
  在風(fēng)機shuang49的雙圓弧葉片基礎(chǔ)上,本文又對風(fēng)機的進(jìn)口集流器進(jìn)行了改進(jìn), 模擬計算12臺采用偏心安裝集流器的風(fēng)機和12臺采用橢圓型集流器的風(fēng)機。在對模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析后,這24組風(fēng)機中的最優(yōu)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(fēng)機,命名為inlet6,其靜壓升提高值比原風(fēng)機靜壓升提高了115.4Pa。
  分別在風(fēng)機inlet6和原風(fēng)機中截取了x=0的截面,圖3為這兩個截面處的流線圖?梢钥闯,風(fēng)機inlet6在葉輪進(jìn)口的渦旋面積比原風(fēng)機有所減小,風(fēng)機inlet6的有效流通面積約為葉輪進(jìn)口面積的2/3,而原風(fēng)機的有效通流面積僅為葉輪進(jìn)口面積的1/4左右,所以風(fēng)機inlet6的流動性能比原風(fēng)機更好,其噪聲情況也有所優(yōu)化。

  為了對比分析葉輪內(nèi)的速度分布,在兩臺風(fēng)機相同的葉輪出口位置選取了一條沿軸向從前蓋到后盤的直線,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(jìn)出口靠近蝸舌處的徑向速度出現(xiàn)了負(fù)值,這說明在蝸舌處有從蝸殼到葉輪的回流,而風(fēng)機inlet6在葉輪出口的徑向速度并沒有負(fù)值出現(xiàn),其流動狀況比原機型有明顯的優(yōu)化。
  由于風(fēng)機inlet6的降噪原理是通過優(yōu)化風(fēng)機的性能,提高其靜壓升,以較小轉(zhuǎn)速,降低其噪聲,對風(fēng)機inlet6進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速數(shù)值模擬,見表1。

  當(dāng)風(fēng)機inlet6的轉(zhuǎn)速減小到2 825r/min時,靜壓升和原機型相差不大,因此轉(zhuǎn)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(jìn)數(shù)值模擬
  共設(shè)計了21臺斜蝸舌風(fēng)機,其葉片采用了風(fēng)機shuang49的雙圓弧葉片型線,但其集流器型式和原風(fēng)機相同。經(jīng)過對模擬結(jié)果的對比分析,選出了最優(yōu)機型,命名為風(fēng)機in-xie10,該風(fēng)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(fēng)機靜壓升提高了51.2Pa。
  分別在風(fēng)機in-xie10和原風(fēng)機內(nèi)選取了垂直于旋轉(zhuǎn)軸的2個回轉(zhuǎn)面y=0.02m,y=0.04m,并給出了蝸舌附近的靜壓梯度圖,見圖5和圖6。風(fēng)機in-xie10在相應(yīng)截面蝸舌附近壓力梯度比原風(fēng)機要小;因此可以得出風(fēng)機in-xie10氣流對蝸舌表面的非定常力比較弱,其產(chǎn)生的噪聲也較小。
 

  同樣對風(fēng)機in-xie10進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速數(shù)值模擬,見表2。

  可以看出,風(fēng)機in-xie10不但采用斜蝸舌可以降低噪聲,其葉片性能提高后,PVC水簾廠家,其轉(zhuǎn)速也可以由3 000r/min降低125r/min左右;因此其噪聲可以進(jìn)一步降低。
3 結(jié)論
  本文提出了多翼風(fēng)機葉片型線、進(jìn)口集流器和蝸舌的改進(jìn)方法, 對改進(jìn)后機型進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬,并對模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,最后得到了兩個優(yōu)化的風(fēng)機機型。
  1) 以20組單圓弧葉片風(fēng)機的模擬結(jié)果為樣本,通過響應(yīng)面方法進(jìn)行優(yōu)化,得到了最優(yōu)機型的進(jìn)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(yīng)面優(yōu)化的方法可以用來進(jìn)行風(fēng)機葉片型線的優(yōu)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(fēng)機,結(jié)果表明其性能比原風(fēng)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(fēng)機可以產(chǎn)生良好的空氣動力特性與低噪聲特性。
  3) 橢圓型進(jìn)口集流器作為偏心安裝的一種特殊形式,在合適的參數(shù)下,能夠顯著地優(yōu)化風(fēng)機靠近輪蓋處葉輪進(jìn)口的流動性能和噪聲性能。本文中,最優(yōu)的橢圓型集流器的偏心比ε1ε2均為0.067,偏心角為0°,該風(fēng)機葉輪進(jìn)口處的渦旋面積比原風(fēng)機明顯減小。
  4) 多翼離心風(fēng)機采用傾斜蝸舌代替?zhèn)鹘y(tǒng)直蝸舌,可以使作用在蝸舌上的非定常壓力脈動產(chǎn)生一定的相位差,其相互疊加后壓力脈動情況減弱,使噪聲降低。

                 參 考 文 獻(xiàn)

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鋒速達(dá)負(fù)壓風(fēng)機-大北農(nóng)集團(tuán)巨農(nóng)種豬示范基地風(fēng)機設(shè)備水簾設(shè)備供應(yīng)商!臺灣九龍灣負(fù)壓風(fēng)機配件供應(yīng)商! 主要產(chǎn)品豬舍通風(fēng)降溫,豬棚通風(fēng)降溫,豬場通風(fēng)降溫,豬舍風(fēng)機,養(yǎng)殖地溝風(fēng)機,豬舍地溝風(fēng)機,豬舍多少臺風(fēng)機,廠房多少臺風(fēng)機,車間多少臺風(fēng)機,豬舍什么風(fēng)機好,廠房什么風(fēng)機好,車間什么風(fēng)機好,多少平方水簾,多大的風(fēng)機,哪個型號的風(fēng)機 相關(guān)的主題文章:
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