带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究汇总.docx

带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究汇总.docx

《带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究汇总.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究汇总.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究汇总

带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究

摘要

轴流风扇广泛应用于计算机CPU散热及空调通风等场合，为提高风扇的效率和运行稳定性，研究轴流风扇的叶片结构是非常有必要的。

本文采用NUMECA公司的CFD软件包Fine/Turbo对选取的轴流风扇直叶片与前掠叶片叶顶间隙流场进行数值模拟，并对结果进行确认研究。

在了解轴流风扇的工作原理的基础上，利用NUMECA中的软件包进行先对模型进行网格划分，然后对所得到的网格划分进行计算设置及计算过程，最后把计算结果进行后处理。

得出轴流风扇直叶片与前掠叶片叶顶间隙流场比较。

通过对计算结果进行分析，前掠叶片风扇的全压升有一定提高，效率有所提高，压力和速度在压力面和吸力面上的分布有一些差异，包括前掠叶片吸力面的低压区较大、压力面的高压较高等，说明前掠叶片的流动损失较小，相对于直叶片具有较好的气动性能。

关键词:

低速轴流风扇；前掠叶片；数值分析；压力分布；速度分布

Aerodynamicperformanceresearchingofaxialflowfanwithforward-sweptblades

ABSTRACT

AxialfansarewidelyusedinthefieldofcomputerCPUheatventilationandairconditioning,andsoon,toimprovetheefficiencyoffansandstabilityoperations,studyaxialfanbladestructureisverynecessary.

Thispaperselectedthestraight-sweptbladesandforward-sweptbladesofaxialflowfans,usingtheFine/TurbosoftwareoftheBelguimcompanyNUMECAtonumericalSimulationandtheresultsofvalidationstudies.Inthebaseofunderstandingaxialflowfanworkingprinciple,themodelgridisdividedandcalculatedsettingsandthecalculationprocess,finally,dealingwiththeresultsofpost-processing.

Theresultsoftheanalysis,theformerall-sweptfanbladeshaveacertainpressureorincreaseinefficiencycanberaised,thepressureandspeedandthesuctionsurfacepressuredistributionofthesurfacetherearesomedifferences,includingtheforward-sweptbladeareaoflowpressuresuctionsideofthelarger,highpressure,suchashigh-pressuresidetoillustratetheflowofgrazinglossleavessmaller,havebetteraerodynamicperformance.

KEYWORDS:

low-speedaxialfans;forwardsweptblade;numericalanalysis;pressuredistribution;velocitydistribution

2.3本章小结……………………………………………………………

3.2.2二次流损失……………………………………………………………………

3.3.3叶顶漏气损失…………………………………………………………………

3.6本章小结……………………………………………………………

4.3.1全压升…………………………………………………………………………

4.3.2压力场分析……………………………………………………………………

4.3.3速度场分析……………………………………………………………………

4.4本章小结……………………………………………………………

5.结论与展望…………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………………

致谢…………………………………………………………………………………………

1.绪论

1.1研究背景及意义

轴流风扇作为一种流体机械已有较长的使用历史，19世纪己经应用于矿山和冶金工业上。

由于当时工业水平的限制，理论研究没有很好的展开，这种风机的全压98-294Pa，而效率仅达15-25%。

二十世纪初，由于航空事业的迅速发展，对机翼理论进行了广泛的实验研究，其研究结果大大促进了轴流风机的发展。

目前，轴流风机以其通流范围大、全风压范围宽的特点而在电力、冶金、石油化工、建筑、交通运输、散热、制冷以及动力、采矿、航空航天等重要领域发挥着积极的作用。

在当今社会的发展中，能源问题己经成为制约世界各国经济和社会发展的长期的、重大的瓶颈，国际竞争逐年加剧，能源安全问题日益突出。

因此，能源的有效利用及可持续发展是备受世界各国重视的关键问题。

叶轮机械作为当代最主要的动力装置之一，在国民经济各个部门中占有重要的地位。

提高轴流风机的运行效率，可以充分利用有限的能源，提高经济效益;现代叶轮机械朝着高负荷、高效能、低噪音和小尺度等方向发展，对其研究和设计提出了日益苛刻的要求。

因此，提高轴流风机研究和设计水平，对国民经济发展、节约能源和环境保护将产生重要的影响。

叶轮机械效率与其流通部分的流动和结构密切相关。

而叶轮机械内部的流动是非常复杂的，所以要了解其内部的流动情况，通过实验手段要耗费大量的时间和资金，而随着计算机技术的发展和数值方法的不断改进，数值模拟手段广泛的应用于叶轮机械的研究，对叶轮机械内部流场的研究带来了便利。

对于风机来说，流动损失主要由叶型损失、环壁面损失以及二次流损失构成。

通过前人对叶轮机械的研究表明，要想提高叶轮机械效率、扩大其工况范围、提高其安全性，必须对轴流风机内部真实流动现象的本质、流动结构和能量损失机理进行深入的了解与研究。

轴流风机内部流动的时间和空间结构极为复杂，各种复杂流动现象如分离流、二次流、顶部间隙泄漏流等的联合作用深刻影响着叶轮机械的气动结构和传热特性。

由于其流动的复杂性和应用的重要性，认识和研究叶轮机械内部非稳态流动的紊流结构及其各部件之间的相互作用特性一直是叶轮机械流体动力学研究十分活跃的前沿课题，也是提高叶轮机械性能的必要前提。

1.2目前国内风机的发展状况

我国生产大中型专用轴流通风机的企业主要有：

沈阳鼓风机厂、上海鼓风机厂、武汉鼓风机厂、成都电力机械厂、沈阳风机厂、保定航空螺旋桨制造厂、吉林鼓风机厂、佳木斯鼓风机厂、运城市安运风机厂以及山东淄博风机厂、常熟鼓风机厂和燕京矿山风机厂等。

生产一般用途及其它小型轴流通风机的企业遍布在全国各省市。

1.矿井轴流通风机

我国矿井主扇是20世纪50年代从仿制前苏联BY型开始生产的。

从1955年第1台2BY型仿制成功到1983年70B2型被国家下令淘汰，仿制的风机在我国煤矿、金属矿使用了近30年。

为满足我国煤矿的实际需要，沈阳鼓风机厂首先于1975年研制出62A型；继而又于1980年设计制造2K60型。

随后，沈阳风机厂设计制造出1K58和2K58型。

20世纪90年代初，沈阳鼓风机厂又自行研制了2K56型，安运风机厂、燕京矿山风机厂研制了BDK型防爆对旋矿井轴流通风机。

2002年，作者与沈阳风机厂合作，在K58型的基础上，又研制出KD型矿井对旋防爆轴流通风机。

2003年年作者与佳木斯鼓风机厂合作，成功地开发了FBDCZ系列矿用对旋轴流通风机。

在引进国外技术方面，20世纪80年代，上海鼓风机厂引进了德国TLT公司的GAF矿井轴流通风机技术，90年代，吉林鼓风机厂引进了前苏联的KZS风机技术。

在矿井局扇上，我国长期以来使用仿制前苏联的JBT系列普通轴流式局扇。

该风机结构简单，性能可满足矿井局部通风要求；但效率低、噪声高达109dB（A）。

1980年以来，我国风机、煤炭和冶金等行业的不少小企业开始研制不同型式的局扇，有普通轴流式、子午加速型和对旋式等，但子午加速型居多，其中BKJ66型和GKJ系列为典型代表。

GKJ系列子午加速局扇，流量2～4m3/s,风压780～3100Pa，全压效率82%～86%（出口圆面积），噪声84～99dB（A）。

该局扇因性能好，产品制造精良，曾一度打入欧洲市场。

1995年以来，对旋局扇开始在煤矿大量使用，产品品种繁多，但性能和制造质量良莠不齐。

2.电站锅炉轴流通风机

我国火力发电站单机容量不断增大。

20世纪70年代以前，20万千瓦为主力机组，锅炉的送、引风机为离心通风机。

80年代以后，30万千瓦为主力机组并逐步向60万千瓦机组过渡。

随着单机容量的增大，锅炉送、引风机的容量相应增加，离心通风机的尺寸大、重量大的缺点给制造、运输、安装和运行等带来诸多困难，采用轴流通风机势在必行。

现今，我国电站锅炉送、引轴流通风机均以引进国外技术进行设计生产。

它们分别是：

上海鼓风机厂引进德国TLT公司的FAF系列和SAF系列技术，沈阳鼓风机厂引进丹麦NoVenco公司的ASN/AST系列技术；成都电力机械厂引进德国K.K.K公司的静叶可调子午加速轴流通风机技术；武汉鼓风机厂引进日本三菱重工公司的电站轴流通风机技术。

上述按引进技术设计生产的风机，完全可满足我国30万千瓦以上机组大容量锅炉的要求。

3.纺织轴流通风机

纺织空调用轴流通风机[1]直径范围800～2000mm,全压范围-300～800Pa，流量范围：

20000～250000m3/h。

20世纪80年代初以前，大都使用沈阳鼓风机厂和沈阳风机厂等生产的50A11型轴流通风机。

该风机的叶片为机翼型铆焊结构件，风机结构简单、制造容易，性能基本满足纺织空调的需要。

后来，有些生产厂试图改用玻璃钢叶片，但未能推广开来。

80年代中期，我国纺织行业在引进国外纺织设备中引进了瑞士罗瓦轴流通风机，该风机为机翼型铸铝叶片，结构合理，性能较佳。

武汉鼓风机厂在测绘仿制罗瓦风机的基础上研制出FZ35和FZ40系列，成为我国目前纺织空调使用最多的机种。

在此基础上，常熟市鼓风机厂研制出PWF40/50型喷雾轴流通风机，在风机上增设了机械雾化器和供泄水结构，使风机不仅具有送风功能并具有给湿能力。

4.冷却塔轴流通风机

与冷却塔配套的风机为低风压大流量轴流通风机。

从一定意义上说，风机的性能水平决定着塔的性能水平。

我国是使用冷却塔较多的国家，作者曾于20世纪80年代初做调查，仅使用4.7m直径风机的工业用冷却塔全国就有600余台。

效率高、噪声低、运行可靠、维修方便是塔用轴流通风机的基本要求。

塔用风机是在恒定压力和流量的情况下工作的，叶片安装角通常采用停机人工手调。

叶片大都采用机翼型，材质为铸铝或玻璃钢，而玻璃钢叶片已成为现代冷却塔轴流通风机的发展趋势。

降低冷却塔的噪声主要是在降低风机噪声这个“治本”方法上做文章。

在没有特殊要求的情况下，一般不轻易地采取增设消（吸）声装置的办法。

我国自20世纪60年代开始研制冷却塔轴流通风机，并经历了不同发展阶段。

第一代产品的典型代表为30E№36.5和30E№47型，该产品结构简单、噪声大、效率低（全压效率分别为0.68和0.65）。

03-13№47和03-14№47型风机虽然在叶片和传动结构上有所改进，但提高效率和降低噪声仍末得到根本解决。

第二代产品为70年代初研制的30A9-11型轴流通风机，叶轮由4个机翼型扭曲叶片组成，叶片由玻璃钢材质制作，效率略大于0.7。

进入20世纪80年代，我国冷却塔风机技术水平不断提高，发展成为第三代产品。

1980年，上海化工机修二厂与上海交通大学、上海跃华玻璃钢研究所共同研制了4.7m风机，叶片为玻璃钢结构材料，采用直齿和螺旋伞齿轮双级传动，全压效率为77.4%。

不久，上海鼓风机厂与跃华玻璃钢研究所共同研制了直径为8.53m的风机，叶片系仿制美国Marly公司的机翼型玻璃钢扭曲叶片，风机最高全压效率为84.5%。

1981～1984年间，上海玻璃钢研究所研制了6m风机，亦是玻璃钢叶片，经实测，最高全压效率为85%。

自1984年以来，保定航空螺旋桨制造厂首先开发研制了直径4.7m冷却塔风机，该机的总体和玻璃钢叶片的气动设计与结构设计由作者完成并顺利通过部级技术鉴定；继而研制出6m、7m、8.53m、9.14m等大型冷却塔系列风机产品。

该风机应用航空螺旋桨技术，结构合理、制作精良，经实塔性能标定，最高全压效率为85%，噪声水平≤85dB。

1989年，作者与山东省科学院能源研究所的周心贤研究员合作，进一步开发出4.7m塔用风机。

该机综合了国内外先进技术经验，玻璃钢叶片选用了先进的航空低速翼型。

减速器体积更小，散热性能更佳，并通过省级技术鉴定。

经实塔标定，风机最高全压效率为86.5%。

5.空冷器轴流通风机

空气冷却器（简称空冷器）是石油、化工等行业不可缺少的专用设备，风机是空冷器的重要组成部分。

空冷器风机亦属低风压大流量轴流通风机，并在恒定压力下工作；但流量应随季节和昼夜环境温度的变化而改变，以达到满足工艺流程要求和节能的目的。

空冷器风机的流量通常采用调角调节，叶片安装角调整主要有停机人工手调和不停机自动调角。

我国空冷器风机于20世纪70年代末期开始上水平、上质量、上品种。

70年代前曾使用铸铝叶片的VAV型风机，该机结构笨重、制作粗糙、效率低、噪声高。

后来研制出机翼扭曲型玻璃钢叶片的F型轴流通风机,性能虽有提高,但产品单一,自动化水平低。

70年代末，石化行业开始引进国外技术与设备,其中美国哈德森（Hudson）公司的空冷器风机在引进设备上使用。

Hudson风机品种规格多、三化（标准化、通用化和系列化）程度高、效率高（最高全压效率为85%）、噪声低、空心薄壁结构的玻璃钢叶片制作工艺先进、安装角的调整方式多样、自动化水平高。

保定航空螺旋桨制造厂于1978年仿制成功,并达到国外水平。

在消化吸收国外先进技术的基础上,结合国内制作工艺实际,作者与哈尔滨空气调节机厂合作，于1988年开发出国产化的HK型系列风机叶片，通过省级技术鉴定，在石化行业推广使用。

6.隧道轴流通风机

隧道通风换气通常有两种方式。

长距离隧道一般采用横向通风，即选用立式轴流通风机排除道内污气,由竖井输入新鲜空气。

中短距离隧道大都采用纵向通风,即选用射流轴流通风机沿隧道纵向布局,靠射流风机出口气流的强劲推力,“接力”似地排除污气。

我国隧道风机的研制初始于地铁建设的需要。

20世纪70年代，沈阳鼓风机厂为北京地铁设计制造了专用轴流通风机。

80年代,上海鼓风机厂又引进了德国TLT公司的TAF型系列和TAS型系列风机技术。

其中TAF型轮毂比较大,在0.5左右变化,主要用于长距离隧道；而TAS型轮毂比较小,在0.33左右变化，主要用于短距离隧道管道通风。

7.消防排烟轴流通风机

随着我国高层建筑不断增多,消防排烟风机的开发研制便提了出来。

这种风机是在应急情况下使用的,它不仅要满足排烟量的要求，还应有耐高温的使用要求。

此外,为了确保风机在应急情况下启动,风机应与排烟口设置联锁装置,即当任何一个排烟口开启时,排烟风机能自动启动；同时,为保证风机安全运行,入口处应设置温控装置,一旦烟气温度超过限定值能自动关闭。

我国消防排烟风机的开发起步于20世纪80年代,这种风机的机号不大,大都由中小企业生产。

天津通风机厂和沈阳人民风机厂的消防排烟轴流通风机为典型代表。

1.3轴流风机的现状

1.3.1轴流风机生产企业的概况

就轴流风机制造企业目前的经营状况而言,大多数国内品牌的制造商未能摆脱主要是依靠较低的价格来占领市场的经营策略,多数企业的产量是每年递增的。

就企业目前的技术人员配备而言,许多中小规模的轴流风机制造企业基本上没有能独立进行设计开发、试验定型的专业技术人员,很多企业基本上处于完全仿制生产的状态,企业老板兼技术员、生产厂长和销售员于一身。

因此,也就导致了其产品一直在行业的低技术水平徘徊。

很多企业无人能有足够的技术水平和用户进行风机的选型、匹配等方面的沟通,也就不可能有针对性地进行产品研发。

1.3.2轴流风机产品概况

应用于风冷式中央空调机组表冷器强制热交换的轴流风机,其叶轮直径大多在500mm～1000mm，单台风机的风量一般不超过28000m3/h，静压不高于200Pa。

轴流风机的叶轮一般与电动机采用直联,主要有普通型电机直联和外转子电机直联两种型式。

轴流风机选用的电动机以4极、6极、8极居多，部分特殊场合选用2极、10极电动机驱动。

通过对部分空调机组和轴流风机生产企业的调查统计,得出如下不同公称直径叶轮的风机的应用数量比例分布情况：

叶轮直径

年份

φ500mm

φ560mm

φ630mm

φ710mm

φ750mm

φ800mm

其它

2007年

11%

14%

18%

24%

15%

11%

7%

2008年

8%

16%

15%

28%

12%

16%

5%

其中，φ630mm的公称直径还包括了φ600mm、φ650mm两种规格的叶轮,φ710mm的公称直径还包括了φ700mm规格的叶轮[2]。

轴流风机的叶轮一般用金属或工程塑料制作：

金属材质主要选用的是优质碳素结构钢、硬铝板或铸造铝合金；工程塑料主要选用的是酚醛树脂、聚苯乙烯（PS）、ABS塑料等。

金属材质叶轮具有强度高、使用寿命长的优点；塑料材质叶轮具有重量轻、噪声低的优点。

叶轮的叶片数以3～7片最为常见，从外形上来看,多属于上宽下窄的叶型。

因制造工艺不同,叶片与轮毂之间可以采用铆接、焊接或螺栓联接结构。

1.3.3国内外同类制造企业和产品的比较

目前，已有一些发达国家的轴流风机制造企业进驻国内,如日本大金、德国EBM等。

国外的知名企业大多技术力量雄厚,具有很强的产品研发能力,而且其制造工艺水平高，试验及检验设施完备,产品的更新换代速度快，能有针对性地提供给用户优质的产品。

另外,国外同类产品的配套行业也有很高的技术与制造水准，如材料、电动机、轴承等行业厂。

就目前国内轴流风机制造企业的状况来看，整体实力与国外同类制造企业有一定的差距。

在空调机组上所使用的轴流风机主流产品中,国内品牌的风机与国外品牌或进口的相同额定气动参数的风机产品相比,主要存在以下差距：

①整机效率偏低,能耗较高；

②风机特性曲线较陡,适应变工况的能力差；

③整机噪声较高；

④配用的国产电动机的效率低,且可靠性、稳定性差；

⑤使用寿命较短；

⑥外观粗糙,工艺水平较落后。

1.4轴流风机的发展前景

1.4.1轴流风机的市场前景

随着经济的发展,我国城市化进展的速度进一步加快，公共及私有建筑物的数量及容量与日俱增,对各类中央空调的需求量也越来越大。

轴流风机作为多种空调主机必备的重要辅机产品，其市场需求受其带动也必然增长。

从中央空调机组市场需求的发展来看,叶轮直径在560mm～800mm的轴流风机的需求量增长最快。

从用户的使用要求来看,低噪声的外转子轴流风机的需求量日益增长,高效率机翼型叶片的轴流风机的市场需求也越来越大。

一些发达国家的知名轴流风机制造企业在国内设厂生产,其国内制造的轴流风机渐不逊色于直接进口的同类产品品质,而其制造成本大幅度降低,价格优势日益凸显。

同时,轴流风机行业内的竞争也必然日趋激烈,一些有规模效益的企业在竞争中会得到进一步提升的机会,而一些缺乏核心竞争力的小企业的生存空间势必越来越小。

1.4.2轴流风机的技术发展趋势

从我国政府的倡导和用户的长期需求两方面综合来看,开发高效率的节能型产品与低噪声的环保型产品是大势所趋。

通过使用一些新型的计算软件对风机的流场与强度等进行模拟、计算,然后与试验检测数据对比,可以更快捷准确地得出其空气动力性能参数。

设计制造高效率的轴流风机主要可以通过以下途径来实现：

①设计开发出合适的叶片型线,以减小叶栅中的摩擦损失和尾迹涡流损失；

②确定适当的叶片数和轮毂比,以减小二次流损失；

③设计合理的筒状机壳高度和叶轮径向间隙,以减小环面损失；

④匹配合适的高效率电动机,以提高整机效率；

⑤改进设计风机筒状机壳的进口集流部位,以改善进口气流状况；

⑥改进设计风机出口的网罩,以减小出口阻力；

⑦将风叶与电动机支架改进设计,让其尽量发挥出导流的作用；

⑧完善试验检验设备,以便及时掌握风机的实际空气动力性能。

设计制造低噪声环保型的轴流风机除了需要对叶片的型线、叶片数、叶轮径向间隙以及电动机进行合理的设计与选配外,还可以通过以下途径来实现：

①提高动平衡精度,以减小整机振动产生的噪声；

②采用具有一定吸声性质的材质制作叶轮等部件,以减小因叶片自身振动而产生的辐射噪声；

③根据仿生学原理设计开发新型低噪声叶片。

1.5目前轴流风扇前掠叶片的研究成果

1.5.1轴流风扇设计中“掠”的另类认识

轴流压气机设计中，“掠”常作为重要扩稳及提高效率措施而广泛使用。

受外流中掠机翼成功应用的启发。

50至70年代间,人们开始尝试将气动“掠”概念应用于压气机，1966-1968,GE公司为TF39设计了后掠和前掠两种跨音速叶片,其前缘掠由根到尖是线性变化的。

后掠叶片试验结果显示相对于无掠转叶无任何效率优势。

由于结构强度原因，前掠叶片未能试验。

虽遗憾，却不能否认其中蕴涵着技术发展的必然，当时对压气机流动的认识深度，以及设计工具的不足等足以使得“掠”概念尝试步履唯艰。

总的看,该阶段“掠”研究几乎是套搬外流机翼“掠”。

“后掠”技术深入研究阶段“掠”概念探索遇到的困难并未阻碍“掠”的继续研究，只是人们莫明地选择了“后掠”。

例如70年代,NASA资助设计和试验了QF-12后掠风扇级,结果却令人失望,各项气动性能参数全面低于设计目标,仅声学性能得到改善。

1986年,以损失失速裕度为代价,美国WP空军基地压气机气动实验室的6号转子试验第一次显示后掠可产生效率收益，作为一种解释,三维激波损失模型得到发展，随后通过系列转子研究,GE公司在“掠”问题上更加理性,开展了轴流压气机典型气动、几何特征的参数化研究。

1997年,Wadia经过系列转子设计及试验证实：

对于尖部起决定作用的跨音风扇，尖部负荷系数较大、叶表附面层向尖部堆积导致激波/附面层干扰损失增加,使得后掠叶片具有较低的失速裕度。

同一时期，另一个高速、小展弦比后掠转子叶片研究具有典型意义。

该转子设计理念是通过将叶片前缘后掠到马赫锥内而实现无激波叶片设计，从而提高跨音轴流压气机效率。

最终试验研究表明：

该转子相对于原型不但没有任何效率改进，而且失速线大大降低[3]。

这是在己经有较为完备轴流压气机设计工具情况下对套用外流理论应用后掠效果的直接检验。

至此，人们终于认识到“掠”只能用于通过削弱弓形波强度而降低损失，决定槽道波强度的是静压升、槽道变化等因素而不是前缘气动掠。

实际上，大后掠失败原因更在于：

研究只强调激波带来损失的方面，却忽视激波增压从而提高加功能力的方面，同时研究未能注意到，旋转因素作用下的负荷展向匹配使得通道激波不可避