高效、低噪風機的現代設計方法

隨著現代生活對節能、環保要求日益提高，對開發高效、低噪風機的呼聲也愈益強烈，同時又提出要求在風機設計階段就能預估噪聲，因為這對低噪風機設計和風機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設計方法，即用一維或二維理想流處理加上一些設計參數的經驗選擇，而不考慮風機各個部件之間相互影響(包括間隙影響)的設計方法。其中對離心風機只分別設計葉輪、蝸殼；對軸流風機只分別設計動葉、靜葉。雖然用這種方法也有不少產品具有接近當時國際水平的綜合(即兼顧效率、噪聲、工藝、尺寸、壽命、高效工作區)性能，至今仍占領著我國的風機市場，但這些產品的開發不僅耗去大量錢財和時間，而且如仍用這種傳統的設計方法，進一步提高性能的潛力已很小，必須充分利用現代科技手段，全面考慮風機內部三維、粘性流動，考慮部件耦合影響的整機優化設計，發展一種新的現代設計方法。
　　1998年我們在中國機械工程雜志第8期發表題目為“離心風機現代設計方法研究”的論文，提出了這種設計方法的雛形，當時的研究工作得到一項國家自然科學基金的支持(項目名稱為“低比噪聲離心風機科學設計方法研究”)，并和北京西山風機廠共同開發7-35風機以代替原有性能優良的6-41風機，當時的工作基礎是我們有20多年風機工程設計經驗，又化了三年時間發展了美國NASA-CR-178818提供的軟件，使它可用于離心風機內部三維粘性流場的計算，得到的風機氣動性能預估和實驗結果基本符合，并用這種方法已研制出一種7-35樣機產品，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數值計算最通用的商用軟件FLUENT用于離心風機和軸流風機氣動性能預估，它在幾何(數值)建模、網格生產等前處理、計算穩定性和準確性以及數據的后處理等方面都比我們開發的原有程序好很多，而且我們已經用FLUENT6.1發展到可以整機計算，即對離心風機是進風口-葉輪-蝸殼一起算，并考慮進風口和葉輪的間隙；對軸流風機是進口管道-動葉-靜葉-風室一起算，并考慮動葉和管道的間隙，因而和實測結果符合更好，同時還對影響風機性能的主要設計參數進行優化設計，分析它們的影響，形成了比較完整的現代設計方法，用此方法不僅發展了7-35三種替代6-41的優秀樣機，還為美國GE公司開發了二種用于空調的離心風機，性能優秀，獲得好評，還為美國某風機公司預估三種軸流風機氣動性能，為德國和日本公司預測離心風機氣動性能，還為國內西山風機廠開發帶靜葉的消排軸流風機，為鞍山風機二廠開發了多種大型流化床鍋爐風機等，整機性能預估均和實驗結果符合很好。在設計工況的全壓或靜壓誤差小于3-5%，效率誤差小于2-3%。這種優化的現代設計方法即將在美國暖通和空調工程師協會主辦的研究雜志-TheASHRAE(AmericaSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-ConditioningEngineers)ResearchJournal發表，題目是“NumericalSimulationofFlowFieldforaWholeCentrifugalFanandAnalysisoftheEffectsofBladeInletAngleandImpellerGap”。本文將以離心風機為例，略為詳細地介紹這種現代設計方法及其應用的部分主要成果。
　　本文另一內容是風機噪聲預估，這是當今最熱門也是難度極大的課題，雖然現在對風機的主要噪聲源已有共識，也就是風機葉輪和靜止部件相互作用產生的離散噪聲(又稱葉片通過頻率噪聲，對離心風機來說就是風舌噪聲)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，主要是作用在風機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中的四極子噪聲源均可不考慮。但即便如此，由于受到當前計算機和計算技術的發展限制，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驗，所以困難更大，目前采用這種嚴格的計算聲學方法極少，預測結果也不理想。我們在1999年成功地計算了三個不同風舌間隙為1%、3%和5%的6-41離心風機風舌噪聲，預估聲功率和實測相差分別為3.3、0.5和1.3dB(見李嵩，1999清華大學博士論文)，已算很成功的工作，直到現在還沒有看到類似工作。目前風機工程上都采用工程模型，常見的是葉片尾流模型用于預測風機總聲壓級和葉片力模型用于預測噪聲頻譜，但只限用于軸流風機，未見關于離心風機的預測模型。我們利用風機三維流場計算和分析，在2001年《流體機械》第5期發表了改進的尾流模型，題目是“低壓軸流風機的噪聲預估”，對二臺軸流風機的預測風機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《流體機械》雜志第1期又發表了改進的葉片力模型，題目是“低壓軸流風機的噪聲頻譜預估與實測”，預測二臺軸流風機噪聲的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)，噪聲頻譜預測有這樣結果，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，要求我們預測一臺離心風機的噪聲，作為首期工作我們進行了單個葉輪的噪聲預估，將尾流模型首次推廣到離心葉輪，得到成功，預測的總聲壓級和實測誤差小于3dB。現在有一德國公司提供給我們一個SYSNOISE5.6聲學計算商用軟件，要求我們為他們的一個烘干機用的離心風機進行噪聲預估，美國一公司也要求我們合作進行軸流風機噪聲預估工作，均已開始工作，我們準備都用聲學數值模擬方法，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，現在大家都在起步，相比之下，我們具備更好的工作基礎和工作條件，應該積極去做。
　　高性能風機現代設計方法
　　風機結構簡單，但流道結構復雜，且是擴壓流動，很易引起嚴重的分離流，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生二次流，所以風機內部流動是復雜的不定常三維流動，數值模擬十分困難。限于目前計算條件，工程上對風機流場的數值模擬均按準定常計算，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節，但根據文獻調研和我們的經驗，對于氣動力設計良好的風機，在設計工況附近，用湍流模型和準定常處理，對于風機的氣動性能的數值預估是完全可以做到和實測結果吻合很好。另一方面，由于有了很多的關于風機三維粘性流動數值模擬結果，發現過去按一維、二維理想流的工程設計中的一些重要的經驗數據(也可稱為設計準則)，其中許多需要修改。以離心風機而論，例如按Eck理論，最佳氣流進口角為35.4°，設計時還應考慮有攻角，所以一般設計葉片幾何進口角為37°～38°，實際上，按數值優化結果，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救，但數值優化結果是葉片幾何出口角到一定數值(如81°）后再增大，全壓反而會下降；又如Eck認為進口加速系數應大于1，這樣葉輪進口是加速流動，可減少進口分離，后來我們認為減少葉輪進口流動速度能改善葉輪流動，所以按經驗，建議可取0.7~0.8，實際上按數值優化可小到0.6；其它還有一些準則也應該改變，這里不能一一而論。這些參數的變化，對風機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。當然改進內容還應包括葉片流道的流型選取和提出新的結構等。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構，縫隙大于10mm，可確保縫隙不會堵塞，這種結構可擴展風機工作的高效區，大大改善非設計工況性能。所有這些在現代設計方法中稱為改進的工程設計方法。所以現代設計方法內容是：首先根據改進的工程設計方法給出綜合性能較好的風機通道型線；然后數值模擬風機整機(包括進風口-葉輪-蝸殼，且考慮間隙)三維粘性流動，來分析比較其內部流場，為改進設計提供依據，同時進行優化計算，好中選優，優化目標是在滿足風量和風壓的前提下，效率越高越好；最后通過樣機研制和現場性能試驗來檢驗和修正設計方法并得到高性能產品。這里改進的工程設計方法是數值優化計算和高性能產品設計的基礎，數值模擬是關鍵，其難點是如何使它對風機氣動性能預估能和實測結果吻合。現場性能試驗用來修正設計和改進數值模擬方法。經過這樣多次循環，最后獲得高性能的風機產品。由于數值模擬是現代設計方法的關鍵和難點，下面再專題敘述。應該指出，這種方法目前只能優化設計和預估風機氣動性能，不能預估噪聲，這是由于離心風機還無法預估噪聲，而本方法中的改進工程設計已考慮到低噪聲風機設計要求，這樣，一般而言，高效率就意味著低噪聲。
噪聲控制,噪聲治理

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