高效、低噪風(fēng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計方法
來源：杭州漢克斯隔音技術(shù)工程有限公司 閱讀：3003 更新時間：2008-07-24 09:57隨著現(xiàn)代生活對節(jié)能、環(huán)保要求日益提高，對開發(fā)高效、低噪風(fēng)機(jī)的呼聲也愈益強(qiáng)烈，同時又提出要求在風(fēng)機(jī)設(shè)計階段就能預(yù)估噪聲，因為這對低噪風(fēng)機(jī)設(shè)計和風(fēng)機(jī)噪聲控制都有重要意義。直到90年代初期，工程上一直采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，即用一維或二維理想流處理加上一些設(shè)計參數(shù)的經(jīng)驗選擇，而不考慮風(fēng)機(jī)各個部件之間相互影響(包括間隙影響)的設(shè)計方法。其中對離心風(fēng)機(jī)只分別設(shè)計葉輪、蝸殼；對軸流風(fēng)機(jī)只分別設(shè)計動葉、靜葉。雖然用這種方法也有不少產(chǎn)品具有接近當(dāng)時國際水平的綜合(即兼顧效率、噪聲、工藝、尺寸、壽命、高效工作區(qū))性能，至今仍占領(lǐng)著我國的風(fēng)機(jī)市場，但這些產(chǎn)品的開發(fā)不僅耗去大量錢財和時間，而且如仍用這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法，進(jìn)一步提高性能的潛力已很小，必須充分利用現(xiàn)代科技手段，全面考慮風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維、粘性流動，考慮部件耦合影響的整機(jī)優(yōu)化設(shè)計，發(fā)展一種新的現(xiàn)代設(shè)計方法。
1998年我們在中國機(jī)械工程雜志第8期發(fā)表題目為“離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計方法研究”的論文，提出了這種設(shè)計方法的雛形，當(dāng)時的研究工作得到一項國家自然科學(xué)基金的支持(項目名稱為“低比噪聲離心風(fēng)機(jī)科學(xué)設(shè)計方法研究”)，并和北京西山風(fēng)機(jī)廠共同開發(fā)7-35風(fēng)機(jī)以代替原有性能優(yōu)良的6-41風(fēng)機(jī)，當(dāng)時的工作基礎(chǔ)是我們有20多年風(fēng)機(jī)工程設(shè)計經(jīng)驗，又化了三年時間發(fā)展了美國NASA-CR-178818提供的軟件，使它可用于離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維粘性流場的計算，得到的風(fēng)機(jī)氣動性能預(yù)估和實驗結(jié)果基本符合，并用這種方法已研制出一種7-35樣機(jī)產(chǎn)品，性能比6-41大有改善。
近年來我們又成功地將國際上流體力學(xué)數(shù)值計算最通用的商用軟件FLUENT用于離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)氣動性能預(yù)估，它在幾何(數(shù)值)建模、網(wǎng)格生產(chǎn)等前處理、計算穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)的后處理等方面都比我們開發(fā)的原有程序好很多，而且我們已經(jīng)用FLUENT6.1發(fā)展到可以整機(jī)計算，即對離心風(fēng)機(jī)是進(jìn)風(fēng)口-葉輪-蝸殼一起算，并考慮進(jìn)風(fēng)口和葉輪的間隙；對軸流風(fēng)機(jī)是進(jìn)口管道-動葉-靜葉-風(fēng)室一起算，并考慮動葉和管道的間隙，因而和實測結(jié)果符合更好，同時還對影響風(fēng)機(jī)性能的主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，分析它們的影響，形成了比較完整的現(xiàn)代設(shè)計方法，用此方法不僅發(fā)展了7-35三種替代 6-41的優(yōu)秀樣機(jī)，還為美國GE公司開發(fā)了二種用于空調(diào)的離心風(fēng)機(jī)，性能優(yōu)秀，獲得好評，還為美國某風(fēng)機(jī)公司預(yù)估三種軸流風(fēng)機(jī)氣動性能，為德國和日本公司預(yù)測離心風(fēng)機(jī)氣動性能，還為國內(nèi)西山風(fēng)機(jī)廠開發(fā)帶靜葉的消排軸流風(fēng)機(jī)，為鞍山風(fēng)機(jī)二廠開發(fā)了多種大型流化床鍋爐風(fēng)機(jī)等，整機(jī)性能預(yù)估均和實驗結(jié)果符合很好。在設(shè)計工況的全壓或靜壓誤差小于3-5%，效率誤差小于2-3%。這種優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計方法即將在美國暖通和空調(diào)工程師協(xié)會主辦的研究雜志- The ASHRAE(America Societyof Heating,Refrigeratingand Air-Conditioning Engineers) Research Journal發(fā)表，題目是 “Numerical SimulationofFlowFieldfora Whole Centrifugal Fanand Analysisofthe Effectsof BladeInlet AngleandImpeller Gap”。本文將以離心風(fēng)機(jī)為例，略為詳細(xì)地介紹這種現(xiàn)代設(shè)計方法及其應(yīng)用的部分主要成果。
本文另一內(nèi)容是風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)估，這是當(dāng)今最熱門也是難度極大的課題，雖然現(xiàn)在對風(fēng)機(jī)的主要噪聲源已有共識，也就是風(fēng)機(jī)葉輪和靜止部件相互作用產(chǎn)生的離散噪聲(又稱葉片通過頻率噪聲，對離心風(fēng)機(jī)來說就是風(fēng)舌噪聲) 和由于來流湍流、物面邊界層中的湍流及物面分離脫體流動和間隙二次流產(chǎn)生的寬帶噪聲(又稱旋渦或湍流噪聲)。從氣動力噪聲理論來看，主要是作用在風(fēng)機(jī)各部件上的不定常力造成的偶極子聲源，其它的葉片厚度造成的單極子噪聲源和旋渦區(qū)中的四極子噪聲源均可不考慮。但即便如此，由于受到當(dāng)前計算機(jī)和計算技術(shù)的發(fā)展限制，這種湍流流動中的不定常力的計算還十分困難，而聲場計算不僅同樣是不定常計算，而且還缺乏商用軟件和計算經(jīng)驗，所以困難更大，目前采用這種嚴(yán)格的計算聲學(xué)方法極少，預(yù)測結(jié)果也不理想。我們在1999年成功地計算了三個不同風(fēng)舌間隙為1%、3%和5%的6-41離心風(fēng)機(jī)風(fēng)舌噪聲，預(yù)估聲功率和實測相差分別為3.3、0.5和1.3dB(見李嵩，1999清華大學(xué)博士論文)，已算很成功的工作，直到現(xiàn)在還沒有看到類似工作。目前風(fēng)機(jī)工程上都采用工程模型，常見的是葉片尾流模型用于預(yù)測風(fēng)機(jī)總聲壓級和葉片力模型用于預(yù)測噪聲頻譜，但只限用于軸流風(fēng)機(jī)，未見關(guān)于離心風(fēng)機(jī)的預(yù)測模型。我們利用風(fēng)機(jī)三維流場計算和分析，在2001年《流體機(jī)械》第5期發(fā)表了改進(jìn)的尾流模型，題目是“低壓軸流風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)估”，對二臺軸流風(fēng)機(jī)的預(yù)測風(fēng)機(jī)A聲壓級和線性聲壓級與實測誤差分別小于2dB和3～4dB。后來，在2004年《流體機(jī)械》雜志第1期又發(fā)表了改進(jìn)的葉片力模型，題目是“低壓軸流風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜預(yù)估與實測”，預(yù)測二臺軸流風(fēng)機(jī)噪聲的1/3倍頻譜的趨勢和實測符合良好，絕大部分頻譜的誤差小于3dB，最大誤差小于5dB(只是個別頻譜)，噪聲頻譜預(yù)測有這樣結(jié)果，已屬很不容易。2004年我們和日本一公司簽定了一項合作項目，要求我們預(yù)測一臺離心風(fēng)機(jī)的噪聲，作為首期工作我們進(jìn)行了單個葉輪的噪聲預(yù)估，將尾流模型首次推廣到離心葉輪，得到成功，預(yù)測的總聲壓級和實測誤差小于3dB，F(xiàn)在有一德國公司提供給我們一個SYSNOISE5.6聲學(xué)計算商用軟件，要求我們?yōu)樗麄兊囊粋烘干機(jī)用的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲預(yù)估，美國一公司也要求我們合作進(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)噪聲預(yù)估工作，均已開始工作，我們準(zhǔn)備都用聲學(xué)數(shù)值模擬方法，已安排一名博士和二名碩士生做這一工作，盡管難度大，但這是國際前沿工作，又特別有用，現(xiàn)在大家都在起步，相比之下，我們具備更好的工作基礎(chǔ)和工作條件，應(yīng)該積極去做。
高性能風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計方法
風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且是擴(kuò)壓流動，很易引起嚴(yán)重的分離流，同時又有動、靜部件，不僅是不定常流，而且動、靜部件間的間隙又產(chǎn)生二次流，所以風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動是復(fù)雜的不定常三維流動，數(shù)值模擬十分困難。限于目前計算條件，工程上對風(fēng)機(jī)流場的數(shù)值模擬均按準(zhǔn)定常計算，且多采用相對簡單、但很流行的湍流模型計算，但模型只適合于小分離流，也不能正確定量流動細(xì)節(jié)，但根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和我們的經(jīng)驗，對于氣動力設(shè)計良好的風(fēng)機(jī)，在設(shè)計工況附近，用湍流模型和準(zhǔn)定常處理，對于風(fēng)機(jī)的氣動性能的數(shù)值預(yù)估是完全可以做到和實測結(jié)果吻合很好。另一方面，由于有了很多的關(guān)于風(fēng)機(jī)三維粘性流動數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過去按一維、二維理想流的工程設(shè)計中的一些重要的經(jīng)驗數(shù)據(jù)(也可稱為設(shè)計準(zhǔn)則)，其中許多需要修改。以離心風(fēng)機(jī)而論，例如按Eck理論，最佳氣流進(jìn)口角為35.4°，設(shè)計時還應(yīng)考慮有攻角，所以一般設(shè)計葉片幾何進(jìn)口角為37°～38°，實際上，按數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，可以小到27°；又如按工程方法，如全壓不夠，可增大葉片幾何出口角來補(bǔ)救，但數(shù)值優(yōu)化結(jié)果是葉片幾何出口角到一定數(shù)值(如81°）后再增大，全壓反而會下降；又如Eck認(rèn)為進(jìn)口加速系數(shù)應(yīng)大于1，這樣葉輪進(jìn)口是加速流動，可減少進(jìn)口分離，后來我們認(rèn)為減少葉輪進(jìn)口流動速度能改善葉輪流動，所以按經(jīng)驗，建議可取0.7~0.8，實際上按數(shù)值優(yōu)化可小到0.6；其它還有一些準(zhǔn)則也應(yīng)該改變，這里不能一一而論。這些參數(shù)的變化，對風(fēng)機(jī)的氣動力圖改變很大，對氣動性能影響也很大，所以原有的工程方法需要改進(jìn)。當(dāng)然改進(jìn)內(nèi)容還應(yīng)包括葉片流道的流型選取和提出新的結(jié)構(gòu)等。如我們利用航空上吹氣邊界層控制原理，提出長短葉片開縫結(jié)構(gòu)，縫隙大于10mm，可確？p隙不會堵塞，這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展風(fēng)機(jī)工作的高效區(qū)，大大改善非設(shè)計工況性能。所有這些在現(xiàn)代設(shè)計方法中稱為改進(jìn)的工程設(shè)計方法。所以現(xiàn)代設(shè)計方法內(nèi)容是：首先根據(jù)改進(jìn)的工程設(shè)計方法給出綜合性能較好的風(fēng)機(jī)通道型線；然后數(shù)值模擬風(fēng)機(jī)整機(jī)(包括進(jìn)風(fēng)口- 葉輪-蝸殼，且考慮間隙)三維粘性流動，來分析比較其內(nèi)部流場，為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)，同時進(jìn)行優(yōu)化計算，好中選優(yōu)，優(yōu)化目標(biāo)是在滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的前提下，效率越高越好；最后通過樣機(jī)研制和現(xiàn)場性能試驗來檢驗和修正設(shè)計方法并得到高性能產(chǎn)品。這里改進(jìn)的工程設(shè)計方法是數(shù)值優(yōu)化計算和高性能產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，數(shù)值模擬是關(guān)鍵，其難點是如何使它對風(fēng)機(jī)氣動性能預(yù)估能和實測結(jié)果吻合，F(xiàn)場性能試驗用來修正設(shè)計和改進(jìn)數(shù)值模擬方法。經(jīng)過這樣多次循環(huán)，最后獲得高性能的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品。由于數(shù)值模擬是現(xiàn)代設(shè)計方法的關(guān)鍵和難點，下面再專題敘述。應(yīng)該指出，這種方法目前只能優(yōu)化設(shè)計和預(yù)估風(fēng)機(jī)氣動性能，不能預(yù)估噪聲，這是由于離心風(fēng)機(jī)還無法預(yù)估噪聲，而本方法中的改進(jìn)工程設(shè)計已考慮到低噪聲風(fēng)機(jī)設(shè)計要求，這樣，一般而言，高效率就意味著低噪聲。
