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公司簡介 / Company Profiles

上風風機-緊湊結構下高效離心風機的設計方法

發布時間:2018/4/20

目前,隨著柴油機技術日新月異的發展,其運載車輛動力裝置的功率和功率密度不斷提高,散熱量也隨之增大,但是允許布置冷卻系統的空間卻受一定限制。對于其中的關鍵部件冷卻風機,需要具有更加緊湊的結構和更優異的氣動性能。當進排氣風道呈90°時,離心式風機無疑是一種很好的選擇。對于這種大流量高壓頭的特種風機,需要根據其結構特點和流動特性開展針對性的設計。
1 設計參數及說明
  對于緊湊結構下的離心風機,首要考慮的就是在有限的空間結構下產生足夠高的靜壓升和風量,某風機具體的參數如下:轉速n≤3 600r/min,軸向長度≤170mm,最大外徑D2≤570mm,風量Q≥4.2m3/s,靜壓ps≥4 000Pa,功耗N≤25kW。
  可以看出,設計參數要求該離心風機在比較高的轉速下工作,而一般的車用散熱風機的轉速都不超過3 000r/min,這就對風機葉輪的可靠性提出了比較高的要求。對于風機領域來說,離心風機普遍靜壓頭較高,而風量較低[1] ,在嚴格限定了空間結構的情況下,對于這樣大風量高壓頭的設計要求,普通的離心風機設計方法是難以滿足要求的。本文采用了Concepts NREC設計軟件,從一維設計到三維造型,從數值模擬到試驗驗證,完成了整個離心風機的設計過程。
2 離心風機主要參數的確定
  利用FANPAL模塊進行一維氣動設計,在輸入相關設計參數后,可以迅速完成離心風機葉輪主要參數的確定,同時利用軟件內嵌的經驗公式和損失模型[2-3]對風機氣動性能進行預測。
  其中需要關注幾個關鍵參數的確定如下:
  1) 后彎角βb2的選擇
  離心風機一般采用前彎、徑向、后彎這三種葉片形式[4] ,相同條件下,壓頭漸減,效率遞增,葉片載荷隨之增大。因此,在有功耗限制的條件下適宜采用后彎葉片,同時兼顧考慮葉片載荷的分布。可以通過Axcent模塊中的流線曲率法計算確定后彎角βb2,在可靠性和氣動性能之間選取合理的平衡點。

  2) 葉輪進口直徑D0的確定
  一般來說,確定葉輪進口直徑D0的原則是使葉輪內的流動損失最小,因此離心風機普遍采用徑向進氣,如圖1(a),其特點是進口氣動損失小,氣動效率較高,工作點風量偏低。根據設計要求,宜采用完全軸向進氣如圖1(b),大進口軸向進氣可保證大風量高壓頭的需求,但氣動損失較大,氣流在進口的徑向速度梯度較大,比較容易產生分離,同時在狹窄子午流道中氣流方向的劇烈折轉也很容易產生分離損失。對緊湊性和氣動效率的矛盾,必須通過子午流道優化來加以解決。
  3) 葉片數Z的選擇
  葉片數目多,流道中的旋渦損失較少,摩擦損失增大;葉片數目少,旋渦損失增大,摩擦損失減少,理論存在流動損失最小的最佳葉片數。而目前多種定義選擇葉片數的經驗公式和計算法則[1,5] ,受葉輪工作狀態、葉輪結構、氣動環境等影響,對本文設計的特殊結構的離心風機并不適用。這里利用FANPAL中的Design Helper模塊進行多目標優化,對葉片數合理選擇。
3 離心風機葉輪三維造型
  在FANPAL模塊中完成一維設計之后可以直接將葉輪的參數導入Axcent模塊中進行三維構型,這也是整個設計環節中最為關鍵的一步。三維構型的實現主要按以下步驟進行:
  1) 子午流道優化
  主參數導入Axcent模塊中會自動生成三維葉型,如前文所述,緊湊結構下會產生比較大的氣動損失,因此需對子午流道的型線進行優化,國內外的很多研究都提供了不同的輪盤輪蓋的優化方法[6-7] ,但對于這種特殊結構的離心風機同樣不適用,由于Axcent模塊可輕易實現子午流道型線的調整(如圖2),并將驅動調節點前后的不同狀態對比及時顯示到相應的計算結果曲線圖中,實現了可視化的子午流道設計,在可視化界面中實現過去繁復的優化計算過程。通過子午流道的優化,可最大程度地降低氣流在流道中的速度梯度,有效地抑制分離,優化葉片通道中的壓力分布,從而提高整體離心風機的效率。


  2) 流線曲率性能計算及三維造型
  Concepts NREC軟件一個強大的功能就是利用流線曲率法對三維成型的葉輪進行快速的流場分析,得出葉片表面的速度分布,從而分析出葉片的氣動載荷。根據氣動載荷的分布可以調整葉片的厚度、積疊方式、后彎角等關鍵參數,使其載荷保持在合理的范圍內,一方面提高了整個葉輪高轉速狀態下工作的可靠性,另一方面改善了流場的流動狀態,提升了氣動效率,圖3顯示的是利用流線曲率法的計算結果及三維效果。
  3) 弓形進口造型技術
  Axcent模塊可以方便地實現葉片的彎、扭、掠等高難度的復雜造型。如前文所述緊湊結構下的軸向進氣帶來的是較大的進口速度梯度,采用弓形進口可有效地改善這一問題。從圖4、圖5顯示的進口截面CFD計算結果——相對馬赫數分布,可以看出在采用弓形進口后速度分布更加平滑,沒有產生太大的梯度,從整體的CFD計算結果顯示,相同流量下,采用弓形進口會比不采用弓形進口的靜壓升增加3.9%。


4 離心風機三維CFD計算
  在完成三維造型后,Concepts NREC的Pushbutton模塊可幫助設計者快速進行三維流場的CFD計算,自動生成的H型網格如圖6,邊界條件、湍流模型及計算格式等相關CFD計算參數都由程序自動設定,設計者可根據實際需要適當修改。
  圖7和圖8分別顯示S1和S2流面的靜壓分布情況及速度矢量,可以看出在經過三維造型優化后,流場的流動狀態得到了改善,速度分布更為平滑,沒有出現大的逆壓梯度,有效地抑制了分離,說明設計取得了比較理想的結果。
5    離心風機試驗
  圖9給出的是樣機的3 500r/min氣動性能試驗曲線與NREC軟件計算的性能曲線。從試驗結果可以看出,樣機在工作點的參數達到了設計要求,并與理論計算結果吻合較好。 




6 結論
  1) 本文給出的緊湊結構下高效離心風機設計中幾個關鍵參數的確定準則以及利用Concepts NREC設計軟件實現這些參數確定的方法是行之有效的;
  2) 可視化設計方法迅速實現子午流道的優化;
  3) 采用弓形進口的設計,有效改善風機的性能;
  4) 通過CFD仿真和氣動性能試驗,證明了該設計方法的可行性和實用性。--上風風機
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