高效、低噪风机的现代设计方法

随着现代生活对节能、环保要求日益提高，对开发高效、低噪风机的呼声也愈益强烈，同时又提出要求在风机设计阶段就能预估噪声，因为这对低噪风机设计和风机噪声控制都有重要意义。直到90年代初期，工程上一直采用传统设计方法，即用一维或二维理想流处理加上一些设计参数的经验选择，而不考虑风机各个部件之间相互影响(包括间隙影响)的设计方法。其中对离心风机只分别设计叶轮、蜗壳；对轴流风机只分别设计动叶、静叶。虽然用这种方法也有不少产品具有接近当时国际水平的综合(即兼顾效率、噪声、工艺、尺寸、寿命、高效工作区)性能，至今仍占领着我国的风机市场，但这些产品的开发不仅耗去大量钱财和时间，而且如仍用这种传统的设计方法，进一步提高性能的潜力已很小，必须充分利用现代科技手段，全面考虑风机内部三维、粘性流动，考虑部件耦合影响的整机优化设计，发展一种新的现代设计方法。
　　1998年我们在中国机械工程杂志第8期发表题目为“离心风机现代设计方法研究”的论文，提出了这种设计方法的雏形，当时的研究工作得到一项国家自然科学基金的支持(项目名称为“低比噪声离心风机科学设计方法研究”)，并和北京西山风机厂共同开发7-35风机以代替原有性能优良的6-41风机，当时的工作基础是我们有20多年风机工程设计经验，又化了三年时间发展了美国NASA-CR-178818提供的软件，使它可用于离心风机内部三维粘性流场的计算，得到的风机气动性能预估和实验结果基本符合，并用这种方法已研制出一种7-35样机产品，性能比6-41大有改善。
　　近年来我们又成功地将国际上流体力学数值计算最通用的商用软件FLUENT用于离心风机和轴流风机气动性能预估，它在几何(数值)建模、网格生产等前处理、计算稳定性和准确性以及数据的后处理等方面都比我们开发的原有程序好很多，而且我们已经用FLUENT6.1发展到可以整机计算，即对离心风机是进风口-叶轮-蜗壳一起算，并考虑进风口和叶轮的间隙；对轴流风机是进口管道-动叶-静叶-风室一起算，并考虑动叶和管道的间隙，因而和实测结果符合更好，同时还对影响风机性能的主要设计参数进行优化设计，分析它们的影响，形成了比较完整的现代设计方法，用此方法不仅发展了7-35三种替代6-41的优秀样机，还为美国GE公司开发了二种用于空调的离心风机，性能优秀，获得好评，还为美国某风机公司预估三种轴流风机气动性能，为德国和日本公司预测离心风机气动性能，还为国内西山风机厂开发带静叶的消排轴流风机，为鞍山风机二厂开发了多种大型流化床锅炉风机等，整机性能预估均和实验结果符合很好。在设计工况的全压或静压误差小于3-5%，效率误差小于2-3%。这种优化的现代设计方法即将在美国暖通和空调工程师协会主办的研究杂志-TheASHRAE(AmericaSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-ConditioningEngineers)ResearchJournal发表，题目是“NumericalSimulationofFlowFieldforaWholeCentrifugalFanandAnalysisoftheEffectsofBladeInletAngleandImpellerGap”。本文将以离心风机为例，略为详细地介绍这种现代设计方法及其应用的部分主要成果。
　　本文另一内容是风机噪声预估，这是当今最热门也是难度极大的课题，虽然现在对风机的主要噪声源已有共识，也就是风机叶轮和静止部件相互作用产生的离散噪声(又称叶片通过频率噪声，对离心风机来说就是风舌噪声)和由于来流湍流、物面边界层中的湍流及物面分离脱体流动和间隙二次流产生的宽带噪声(又称旋涡或湍流噪声)。从气动力噪声理论来看，主要是作用在风机各部件上的不定常力造成的偶极子声源，其它的叶片厚度造成的单极子噪声源和旋涡区中的四极子噪声源均可不考虑。但即便如此，由于受到当前计算机和计算技术的发展限制，这种湍流流动中的不定常力的计算还十分困难，而声场计算不仅同样是不定常计算，而且还缺乏商用软件和计算经验，所以困难更大，目前采用这种严格的计算声学方法极少，预测结果也不理想。我们在1999年成功地计算了三个不同风舌间隙为1%、3%和5%的6-41离心风机风舌噪声，预估声功率和实测相差分别为3.3、0.5和1.3dB(见李嵩，1999清华大学博士论文)，已算很成功的工作，直到现在还没有看到类似工作。目前风机工程上都采用工程模型，常见的是叶片尾流模型用于预测风机总声压级和叶片力模型用于预测噪声频谱，但只限用于轴流风机，未见关于离心风机的预测模型。我们利用风机三维流场计算和分析，在2001年《流体机械》第5期发表了改进的尾流模型，题目是“低压轴流风机的噪声预估”，对二台轴流风机的预测风机A声压级和线性声压级与实测误差分别小于2dB和3～4dB。后来，在2004年《流体机械》杂志第1期又发表了改进的叶片力模型，题目是“低压轴流风机的噪声频谱预估与实测”，预测二台轴流风机噪声的1/3倍频谱的趋势和实测符合良好，绝大部分频谱的误差小于3dB，最大误差小于5dB(只是个别频谱)，噪声频谱预测有这样结果，已属很不容易。2004年我们和日本一公司签定了一项合作项目，要求我们预测一台离心风机的噪声，作为首期工作我们进行了单个叶轮的噪声预估，将尾流模型首次推广到离心叶轮，得到成功，预测的总声压级和实测误差小于3dB。现在有一德国公司提供给我们一个SYSNOISE5.6声学计算商用软件，要求我们为他们的一个烘干机用的离心风机进行噪声预估，美国一公司也要求我们合作进行轴流风机噪声预估工作，均已开始工作，我们准备都用声学数值模拟方法，已安排一名博士和二名硕士生做这一工作，尽管难度大，但这是国际前沿工作，又特别有用，现在大家都在起步，相比之下，我们具备更好的工作基础和工作条件，应该积极去做。
　　高性能风机现代设计方法
　　风机结构简单，但流道结构复杂，且是扩压流动，很易引起严重的分离流，同时又有动、静部件，不仅是不定常流，而且动、静部件间的间隙又产生二次流，所以风机内部流动是复杂的不定常三维流动，数值模拟十分困难。限于目前计算条件，工程上对风机流场的数值模拟均按准定常计算，且多采用相对简单、但很流行的湍流模型计算，但模型只适合于小分离流，也不能正确定量流动细节，但根据文献调研和我们的经验，对于气动力设计良好的风机，在设计工况附近，用湍流模型和准定常处理，对于风机的气动性能的数值预估是完全可以做到和实测结果吻合很好。另一方面，由于有了很多的关于风机三维粘性流动数值模拟结果，发现过去按一维、二维理想流的工程设计中的一些重要的经验数据(也可称为设计准则)，其中许多需要修改。以离心风机而论，例如按Eck理论，最佳气流进口角为35.4°，设计时还应考虑有攻角，所以一般设计叶片几何进口角为37°～38°，实际上，按数值优化结果，可以小到27°；又如按工程方法，如全压不够，可增大叶片几何出口角来补救，但数值优化结果是叶片几何出口角到一定数值(如81°）后再增大，全压反而会下降；又如Eck认为进口加速系数应大于1，这样叶轮进口是加速流动，可减少进口分离，后来我们认为减少叶轮进口流动速度能改善叶轮流动，所以按经验，建议可取0.7~0.8，实际上按数值优化可小到0.6；其它还有一些准则也应该改变，这里不能一一而论。这些参数的变化，对风机的气动力图改变很大，对气动性能影响也很大，所以原有的工程方法需要改进。当然改进内容还应包括叶片流道的流型选取和提出新的结构等。如我们利用航空上吹气边界层控制原理，提出长短叶片开缝结构，缝隙大于10mm，可确保缝隙不会堵塞，这种结构可扩展风机工作的高效区，大大改善非设计工况性能。所有这些在现代设计方法中称为改进的工程设计方法。所以现代设计方法内容是：首先根据改进的工程设计方法给出综合性能较好的风机通道型线；然后数值模拟风机整机(包括进风口-叶轮-蜗壳，且考虑间隙)三维粘性流动，来分析比较其内部流场，为改进设计提供依据，同时进行优化计算，好中选优，优化目标是在满足风量和风压的前提下，效率越高越好；最后通过样机研制和现场性能试验来检验和修正设计方法并得到高性能产品。这里改进的工程设计方法是数值优化计算和高性能产品设计的基础，数值模拟是关键，其难点是如何使它对风机气动性能预估能和实测结果吻合。现场性能试验用来修正设计和改进数值模拟方法。经过这样多次循环，最后获得高性能的风机产品。由于数值模拟是现代设计方法的关键和难点，下面再专题叙述。应该指出，这种方法目前只能优化设计和预估风机气动性能，不能预估噪声，这是由于离心风机还无法预估噪声，而本方法中的改进工程设计已考虑到低噪声风机设计要求，这样，一般而言，高效率就意味着低噪声。
噪声控制,噪声治理

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