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
I
Aerodynamic performance researching of
axial flow fan with forward-swept blades
ABSTRACT
Axial fans are widely used in the field of computer CPU heat ventilation and air conditioning, and so on, to improve the efficiency of fans and stability operations, study axial fan blade structure is very necessary.
This paper selected the straight-swept blades and forward-swept blades of axial flow fans, using the Fine/Turbo software of the Belguim company NUMECA to numerical Simulation and the results of validation studies. In the base of understanding axial flow fan working principle, the model grid is divided and calculated settings and the calculation process, finally,dealing with the results of post-processing.
The results of the analysis, the former all-swept fan blades have a certain pressure or increase in efficiency can be raised, the pressure and speed and the suction surface pressure distribution of the surface there are some differences, including the forward-swept blade area of low pressure suction side of the larger, high pressure, such as high-pressure side to illustrate the flow of grazing loss leaves smaller, have better aerodynamic performance.
KEY WORDS: low-speed axial fans; forward swept blade; numerical analysis; pressure distribution; velocity distribution
目录
1.绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2目前国内风机的发展状况 (2)
1.3轴流风机的现状 (6)
1.3.1轴流风机生产企业的概况 (6)
1.3.2轴流风机产品概况 (6)
1.3.3国内外同类制造企业和产品的比较 (7)
1.4轴流风机的发展前景 (7)
1.4.1轴流风机的市场前景 (7)
1.4.2轴流风机的技术发展趋势 (8)
1.5目前轴流风扇前掠叶片研究成果 (8)
1.5.1轴流风扇设计中“掠”的另类认识 (8)
1.5.2高性能前掠三级轴流风扇的设计 (9)
1.5.3风扇前缘曲线前掠程度对风扇性能的影响 (10)
1.5.4空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布的研究 (10)
2.NUMECA Fine Turbo Design软件简介 (11)
2.1 NUMECA软件模块 (11)
2.1.1 IGG：通用结构网格生成器 (11)
2.1.2IGG/AUTOGRID：旋转机械网格自动生成器 (12)
2.1.3EURANUS：求解器 (12)
2.1.4 CFView功能强大的后处理器 (13)
2.2 NUMECA软件应用实例 (14)
2.3本章小结……………………………………………………………
3.轴流风扇 (18)
III
3.1轴流风扇的基本知识 (18)
3.1.1轴流风扇的定义 (18)
3.1.2轴流风扇的工作原理 (18)
3.2叶轮机械内部流动损失 (18)
3.2.1叶型损失………………………………………………………………………………错误！未定义书签。
3.2.2二次流损失……………………………………………………………………
3.3.3叶顶漏气损失…………………………………………………………………
3.3轴流风扇内部流动 (20)
3.3.1轴流风扇叶片特点的介绍 (20)
3.3.2轴流风扇的风扇重要指标 (21)
3.3.3轴流风扇扇叶 (22)
3.4轴流风扇内部流动特性 (23)
3.5叶轮机械内部流动研究进展 (24)
3.6本章小结……………………………………………………………
4.低速轴流风扇的数值模拟及性能分析 (28)
4.1计算域和网格生成 (28)
4.2求解计算 (29)
4.3风扇的性能分析…………………………………………………错误！未定义书签。
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..................................................................5.1全文总结 (31)
5.2展望………………………………………………………………错误！未定义书签。
参考文献………………………………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………………………………
V
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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
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
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。2 003 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。
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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50A 11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”
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
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30A 9-11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
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代前曾使用铸铝叶片的V A V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。
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
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
φ500mm φ560mm φ630mm φ710mm φ750mm φ800mm 其它年份
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
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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,
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
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
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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免。
1.5.2高性能前掠三级轴流风扇的设计
新风扇在原四级风扇设计总压比、转速和流道尺寸不变的情况下，减少1级，长度缩短约40 mm，流量增加约6 kg/s，全转速范围效率均提高约3.5%，发动机不加力推力增大464 daN，说明该三级风扇设计是成功的。
新三级风扇设计中开创性地采用了多项先进新技术：复合掠型和空间成型的全三维叶片设计技术，无进口调节导叶的多级风扇全转速特性和负荷优化匹配设计技术，非对称风扇进口承力支板设计和动应力控制技术。
新风扇部件试验和整机串装试验一次成功，反映了风扇气动和工程化设计方面取得的技术进步，再次验证了航空发动机风扇设计系统，为风扇、压气机的研制和已有发动机的改进、改型设计奠定了良好的基础[8]。
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
1.5.3风扇前缘曲线前掠程度对风扇性能的影响
在整个流量范围内，前掠叶片效率始终高于无掠叶片；小流量时，风扇效率随前缘曲线前掠程度的增大而降低；大流量时，风扇效率随前缘曲线前掠程度的增大而增大[5]。
在整个流量范围内，前掠叶片增压比始终低于无掠叶片；前掠叶片通道激波随前缘曲线前掠程度的增大而减弱，增压比随前缘曲线前掠程度增大而降低。
前掠叶片的稳定工作裕度及流量范围比无掠叶片有很大提高，而且随着前掠程度的增大，稳定工作裕度和流量范围都随之增大。叶片前缘曲线前掠可明显改善风扇叶片的气动性能，但由于叶片叶尖相对前掠受叶片强度和颤振等多因素限制，因此叶片前掠程度需要从多方面考虑进行最优化设计，使其在给定条件下发挥最佳气动性能[7]。
1.5.4空调用贯流风扇内部流场可视化及流速分布的研究
在入口区域,气体的流动并不都是指向叶轮内部的,而是存在主要流入区。因此笔者认为现在空调中普遍采用的热交换器分布方式不尽合理,应该在主要流入区域增加热交换器的厚度,而在非主要流入区域减少或取消热交换器的设置,从
而提高热交换的效率。
在叶轮内部区域,气体的流动存在涡流,该涡流的涡心并非回转轴心,而是偏心涡流。偏心涡流的涡心位置随着叶轮叶片倾角的增大从叶轮回转轴下方向右侧移动。另外,偏心涡流区域面积大小也产生变化,叶片倾角24度时的偏心涡流区域面积最小。在其它条件相同时,设置热交换器后,由于热交换器的阻尼作用,引起偏心涡流区域面积增大,涡心位置由叶片附近向叶轮轴心移动。这部分区域的气体流动速度由于在通过叶片时受到叶片的加速作用,而比入口区域的流速大。
在流出区域,气体流动是扩散的。随着叶片倾斜角增加这个区域气体流动轨迹总体上变宽,同时沿逆时针移动。该区域的气体流动速度是经过叶轮两次加速后的速度,因此这部分区域的流速最大。
叶轮内部偏心涡流是贯流风扇所特有的一种流动,实验中各种条件的变化, 无论是热交换器的有无,还是叶轮叶片倾角的变化,都会使得偏心涡流位置及大
小发生变化,从而造成整个流场的流动及速度分布发生变化[14]。
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
2.NUMECA Fine Turbo Design软件简介
NUMECA公司的软件－FINE系列软件，是目前国际上最新，最优秀的流体动力学分析和设计优化软件，她采用了近几年研发出的最先进技术，因此，无论在计算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件（如：Fluent和Star-CD等），尤其是对于叶轮机械的用户，更是得心应手的专用工具。所以，她引导着世界CFD软件发展的新潮流。其计算速度、精度和计算机内存需要量均比其它软件（如：Fluent、Tarsflow和Star-CD等）优越，其优越程度使用过其它软件的用户非常惊讶。现在其它软件公司（在网格生成和核心求解器中）也逐渐开始采用类似于NUMECA的方法。她所研发并采用的其它技术和方法现也已被其它软件开发者逐步采用，因此，NUMECA公司领导着世界CFD软件发展的新潮流。
分析软件包有FINE/TURBO和FINE/HEXA等，其中均包括前处理，求解器和后处理三个部分。FINE/TURBO用于内部流动，FINE/AERO用于外部绕流，FINE/HEXA可用内部或外部流动，但为非结构自适应网格。FINE/TURBO：可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部（其中包括任何叶轮机械:轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平等。单级或多级，或正机，或任何其他内部流动：管流，涡壳，阀门等）流动的数值模拟。
2.1 NUMECA软件模块
2.1.1 IGG：通用结构网格生成器
可生成任何几何形状的结构网格。采用准自动的块化技术和摸板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。下面介绍详细介绍它的： 3D结构多块网格
准自动快化生成技术
模版和脚本技术
自动质量检测
全非拟合技术
多动几何建模工具
多种输入生成格式
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
特点：快速，用户友好，易于使用。如下图：
2.1.2IGG/AUTOGRID：旋转机械网格自动生成器
1.自动块结构网格生成器
2.可用于任何旋转机械部件(压气机、压缩机、泵、风机、螺旋桨、风扇等)
3.可选择H, I, HOH,HCH等类型网格拓扑结构,可自动生成以下结构化网格
4.自带的输入接口
5.提供专业的CAD图形修补配套软件CADfix
6.快速
AutoGridTM多级网格生成环境：快速的离心、轴流旋转机械工程设置，高效的几何模型输入简易过程设置，贯通的菜单结构,直接的图形反馈。
各种结构的网格模拟：a.多通路拓扑结构b.级间处理（可自动进行转静子定义，手动编辑，包括：交界面的编辑、自动记录、轴向坐标的手动调整、通过外部文件给定交界面）c.间隙处理(简单参数设计即可生成高质量间隙网格)d.任意位置、数量分流叶片（串列叶栅）e.汽封及回转通道结构(带有顶部汽封及回转通道结构)f.冷却通道处理(冷却孔和任意复杂几何体)g.非轴对称端壁结构h.拉筋结构i.多级叶片网格生成j.阿里亚娜火箭发动机整机网格生成k.用于叶片共轭换热研究的网格生成l.水轮机整机网格生成。
2.1.3EURANUS：求解器
求解全可压缩形式（基于密度）三维雷诺平均Navier-Stokes方程
全二阶精度空间离散（中心和迎风格式）
全二阶精度时间离散，双时间步技术
显示龙格-库塔时间迭代
多块机构网格（拟合、非拟合或全非拟合链接）
高效的多重网格加速
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
低速流动预处理法
多种流模型（代数模型、一方程模型和两方程模型）
多种边界条件
多种初场给法（均匀、叶轮机械、通流、已知解等）
多种输出方式/格式
多种转静子连接和相互作用链接
全非拟合连接功能
序列运算和并行运算
Euranus的特征
1.高的精度
（1）全二阶精度
（2）允许Y+值在1左右，从而可使用低雷诺数湍流模型
（3）网格长宽比5000以内的鲁绑性保证
2.快的速度
（1）在奔腾IV上计算50万网格点约需要45-60分钟
（2）卓越的线性加速并行计算功能
3.低的内存需求
计算100万网格的3D湍流问题，约需要100兆内存
2.1.4CFView功能强大的后处理器
CFView是功能强大和创新性的数值流场显式系统，是叶轮机械专用视图功能，可以支持周向平均视图、叶片到叶片（S1）视图、子午（S2）视图。有丰富的定性和定量分析工具，直接与试验数据比较的工具、用于自动做图的丰富的宏和脚本语言、动化演示功能、非定常流动演示功能。求解三维雷诺平均的NS方程。采用多重网格加速技术；全二阶精度的差分格式；基于MPI平台的并型处理；可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。可处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；气固两相流计算等。其多级（10级以上）求解性能良好。CFVIEW：功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理和制作适合于叶轮机械的任何S1和S2面，及周向平均图。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。其优点:功能强大和创新性
带有前掠叶片的轴流风扇空气动力性能研究
的数值流场显示系统、丰富的定性和定量分析工具、直接与试验数据比较的工具、动画显示功能、非定常流动演示功能等。
2.2 NUMECA软件应用实例
NUMECA是国际上公认的先进的专门针对旋转机械的计算流体力学软件,它是由NUMECA NTERNAT IONAL公司开发的FINE系列软件构成的,虽然市场化较晚,但是近几年得到了较快的应用。它的分析软件包包括FINE /TURBO和FINE /H EXA两种,FINE /TURBO可用于内部和外部流动,FINE /H EXA也可用于内部或外部流动,但是它采用的是非结构自适应网格。它带IGG/AUTOGRIG 自动网格生成器,可自动生成任何叶轮机械(包括任何轴流,混流,离心机械,可带有顶部、根部间隙,可带有分流叶片等)的H形、I形和HOH形网格。可以广泛应用于冷却孔计算、多级通流、湿蒸汽、共轭传热、汽固两相流等领域的计算。值得一提的是,该软件有非常强大的叶片优化设计功能。
1.计算模型及边界条件
数值模拟采用NUMECA软件,其中网格由NUMECA-IGG生成,计算使用NUMECA-FINE,湍流模型为Spalart-Allm aras模型。边界条件与试验所给定的数值相同:当地大气压99870Pa、进口总压103065Pa、温度306K、湍流度8×10-5、出口静压为当地大气压[17]。
为校核NUMECA软件计算结果的正确性,对如图2-1所示的具有子午收缩上端壁的原型叶栅进行了数值模拟,并将计算结果与试验数据进行了比较。在校核计算中采用如图2-2所示的H-O-H组合计算网格,网格结点总数为86万。
图2-1 原型叶栅
Fig 2-1 Prototype cascade
动叶可调式轴流风机动叶调节原理图 改变动叶安装角是通过动叶调节机构来执行的，它包括液压调节装置和传动机构。液压缸内的活塞由轴套及活塞轴的凸肩被轴向定位的，液压缸可以在活塞上左右移动，但活塞不能产生轴向移动。为了防止液压缸在左、右移动时通过活塞与液压缸间隙的泄漏，活塞上还装置有两列带槽密封圈。当叶轮旋转时，液压缸与叶轮同步旋转，而活塞由于护罩与活塞轴的旋转亦作旋转运动。所以风机稳定在某工况下工作时，活塞与液压缸无相对运动。活塞轴的另一端装有控制轴，叶轮旋转时控制轴静止不动，但当液压缸左右移动时会带动控制轴一起移动。控制头等零件是静止并不作旋转运动的。叶片装在叶柄的外端，每个叶片用6个螺栓固定在叶柄上，叶柄由叶柄轴承支撑，平衡块与叶片成一规定的角度装设，二者位移量不同，平衡块用于平衡离心力，使叶片在运转中成为
机构，使之动作灵活或不卡涩。当轴流送风机在某工况下稳定工作时，动叶片也在相应某一安装角下运转，那么伺服阀将油道①与②的油孔堵住，活塞左右两侧的工作油压不变，动叶安装角自然固定不变。当锅炉工况变化需要减小调节风量时，电信号传至伺服马达使控制轴发生旋转，控制轴的旋转带动拉杆向右移动。此时由于液压缸只随叶轮作旋转运动，而调节杆(定位轴)及与之相连的齿条是静止不动的。于是齿套是以B点为支点，带动与伺服阀相连的齿条往右移动，使压力油口与油道②接通，回油口与油道①接通。压力油从油道②不断进入活塞右侧的液压缸容积内，使液压缸不断向右移动。与此同时活塞左侧的液压缸容积内的工作油从油道①通过回油孔返回油箱。由于液压缸与叶轮上每个动叶片的调节杆相连，当液压缸向右移动时，动叶的安装角减小，轴流送风机输送风量和压头也随之降低。当液压缸向右移动时，调节杆(定位轴)亦一起往右移动，但由于控制轴拉杆不动，所以齿套以A为支点，使伺服阀上齿条往左移动，从而使伺服阀将油道①与②的油孔堵住，则液压缸处在新工作位置下(即调节后动叶角度)不再移动，动叶片处在关小的新状态下工作。这就是反馈过程。在反馈过程中，定位轴带动指示轴旋转，使它将动叶关小的角度显示出来。若锅炉的负荷增大，需要增大动叶角度，伺服马达使控制轴发生旋转，于是控制轴上拉杆以定位轴上齿条为支点，将齿套向左移动，与之啮合齿条(伺服阀上齿条)也向左移动，使压力油口与油道①接通，回油口与油道②接通。压力油从油道①进入活塞的左侧的液压缸容积内，使液压缸不断向左移动，而与此同时活塞右侧的液压缸容积内的工作油从油道②通过回油孔返回油箱。此时动叶片安装角增大、锅炉通风量和压头也随之增大。当液压缸向左移动时，定位轴也一起往左移动。以齿套中A为支点，使伺服阀的齿条往右移动，直至伺服阀将油道①与②的油孔堵住为止，动叶在新的安装角下稳定工作。
轴流风机动叶调节原理（TLT结构） 轴流送风机利用动叶安装角的变化，使风机的性能曲线移位。性能曲线与不同的动叶安装角与风道性能曲线，可以得出一系列的工作点。若需要流量及压头增大，只需增大动叶安装角；反之只需减少动叶安装角。 轴流送风机的动叶调节，调节效率高，而且又能使调节后的风机处于高效率区内工作。采用动叶调节的轴流送风机还可以避免在小流量工况下落在不稳定工况区内。轴流送风机动叶调节使风机结构复杂，调节装置要求较高，制造精度要求亦高。 改变动叶安装角是通过动叶调节机构来执行的，它包括液压调节装置和传动机构。液压缸内的活塞由轴套及活塞轴的凸肩被轴向定位的，液压缸可以在活塞上左右移动，但活塞不能产生轴向移动。为了防止液压缸在左、右移动时通过活塞与液压缸间隙的泄漏，活塞上还装置有两列带槽密封圈。当叶轮旋转时，液压缸与叶轮同步旋转，而活塞由于护罩与活塞轴的旋转亦作旋转运动。所以风机稳定在某工况下工作时，活塞与液压缸无相对运动。 活塞轴的另一端装有控制轴，叶轮旋转时控制轴静止不动，但当液压缸左右移动时会带动控制轴一起移动。控制头等零件是静止并不作旋转运动的。 叶片装在叶柄的外端，每个叶片用6个螺栓固定在叶柄上，叶柄由叶柄轴承支撑，平衡块与叶片成一规定的角度装设，二者位移量不同，平衡块用于平衡离心力，使叶片在运转中成为可调。
动叶调节机构被叶轮及护罩所包围，这样工作安全，避免脏物落入调节机构，使之动作灵活或不卡涩。 当轴流送风机在某工况下稳定工作时，动叶片也在相应某一安装角下运转，那么伺服阀将油道①与②的油孔堵住，活塞左右两侧的工作油压不变，动叶安装角自然固定不变。 当锅炉工况变化需要减小调节风量时，电信号传至伺服马达使控制轴发生旋转，控制轴的旋转带动拉杆向右移动。此时由于液压缸只随叶轮作旋转运动，而调节杆(定位轴)及与之相连的齿条是静止不动的。于是齿套是以B点为支点，带动与伺服阀相连的齿条往右移动，使压力油口与油道②接通，回油口与油道①接通。压力油从油道②不断进入活塞右侧的液压缸容积内，使液压缸不断向右移动。与此同时活塞左侧的液压缸容积内的工作油从油道①通过回油孔返回油箱。 由于液压缸与叶轮上每个动叶片的调节杆相连，当液压缸向右移动时，动叶的安装角减小，轴流送风机输送风量和压头也随之降低。 当液压缸向右移动时，调节杆(定位轴)亦一起往右移动，但由于控制轴拉杆不动，所以齿套以A为支点，使伺服阀上齿条往左移动，从而使伺服阀将油道①与②的油孔堵住，则液压缸处在新工作位置下(即调节后动叶角度)不再移动，动叶片处在关小的新状态下工作。这就是反馈过程。在反馈过程中，定位轴带动指示轴旋转，使它将动叶关小的角度显示出来。 若锅炉的负荷增大，需要增大动叶角度，伺服马达使控制轴发生旋转，于是控制轴上拉杆以定位轴上齿条为支点，将齿套向左移动，
基于 CFD 的轴流通风机叶片的流场分析与改进设计
摘要：通过计算流体力学（CFD）方法对轴流通风机叶片的流场进行了虚拟样机的数值模拟，不仅得到了流场 的工作特性数据，而且提出了对叶片叶型的改进设计方案，并通过真实样机的试验验证了数值模拟分析的正确 性和改进设计的可行性。最后，还对数值模拟与真实试验数据之间的差异原因进行了讨论。 关键词：轴流式通风机；叶片；CFD；流场分析；改进设计
0 引言
轴流通风机的传统设计方法主要有两种：一种是利用孤立翼型进行空气动力试验所得到的数据进行孤立翼 型设计，称为孤立翼型设计方法；另一种是利用平面叶栅的理论和叶栅的吹风试验所得到的数据进行设计，称 为叶栅设计方法[1]。试验测量方法所得到的试验结果真实可信，但往往受模型尺寸、流场扰动、人身安全和测 量精度等的限制，有可能很难通过试验方法得到结果。此外试验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及 周期长等许多困难。计算流体力学（CFD）的计算方法是近年来发展起来的新型独立学科，它兼有理论性和实 践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术[2]。 轴流通风机叶片作为关键部件，其性能直接影响着风机的性能。轴流通风机设计的主要任务就是设计出能保证 各项性能要求的高效率叶片。
本文介绍的是采用现今先进的 CFD 方法，以一款汽车用冷凝器风扇的叶片为例，进行探索性的流场分析 与改进设计研究。
1 叶片的 CFD 流场分析
1.1 对象描述 该风扇总成的整体三维图如图 1 所示。叶片直径为 250mm，材料为 PP，其技术要求：在静压 p=－50Pa
（风机进口处的压力比周围空气低 50Pa），转速为 2600r/min 的情况下，风扇总成在一个标准大气压、温度为 20℃、相对湿度为 50%的空气，用标准电机在 12V 的电压下进行送风测试时，其送风量应≥900m3/h，标准电 机工作电流应≤7A。
图 1 分析对象——风扇总成的三维图
1.2 划分网格 计算流体力学作为工程应用的有效工具，所面临的关键技术之一就是生成网格的质量的好坏，它直接影响
到模拟结果的精度和所耗用的 CPU 时间。在计算敏感区域（壁面附近、尾流块、外形曲率大的表面）参数变 化梯度大，如果网格太稀疏，则不能捕捉到流场的重要信息，造成误差大，甚至解不能收敛，故需取较密的一 些网格；而在非计算敏感区域参数变化梯度较小，如果网格太稠密，则所耗用的 CPU 时间长，故应取较稀一 些的网格。因此，应根据需要安排网格疏密。另外，曲线应尽量光滑，不能过分扭曲。在 CFD 的实际应用中，
1
AN系列静叶可调轴流风机(成都电力机械厂) AN系列静叶可调轴流风机（以下简称AN风机），其工作原理是介质沿着叶轮子午面的流道方向急剧收敛、加速，从而获得动能，并通过下游的后导叶和扩压器，使大部分动能转换成为静压能的轴流式通风机。 AN风机具有结构简单，安全可靠性高、耐磨性好、抗高温能力强等特点。是电厂、冶金、矿山、水泥等行业风机中最理想的选择之一，目前已有超过两千台AN风机在世界各地运行，新技术的研发始终跟随用户需求的变化持续进行。 适用范围 AN风机安装形式分卧式和立式，特别适用于含有粉尘或腐蚀性的大流量气体，可在20-200oC度 的高温度下运行。 AN风机可用作于： 1.发电机组的锅炉引风机。这也同样适用于增设烟气脱硫和脱硝系统而增加压力后的合并引风机。 2.发电机组烟气脱硫（FGD）及一氧化氮净化装置（DENOX）的增压风机。 3.在钢铁冶炼行业用于脱硫增压风机。 4.在铁矿烧结和制粒装置中作冷却、排气、除尘通风机。 5.在钢厂和铸造车间可用于排尘转换装置。 6.在水泥工业中可用作排烟和除尘用通风机。 7.还可用于需要处理或控制大流量空气、工艺用气或废气的所有其他场所。 为了精确地满足顾客所需要的工况参数，按照R40的数列等级，我们可以提供叶轮外径从1300 至5000mm中若干
等级的风机供顾客选择。 在工程项目中，如果知道流体流量、密度和需要的全压，就可以推断出比压能。同时可以依据的比压能和流体流量的交叉点判断运行点是否落在AN风机范围内，即选择的风机是否合适。 性能特点和控制 AN系列风机的性能特性能够最大限度地满足用户的运行要求。当利用下面的图表确定叶轮直径和转速以后，将从我们的数据库中选择合理的变量组合（叶片数量、叶形、安装角，后导叶叶形及安装角等），从而保证AN风机的工作点在满负荷（100%）运行时，位于性能曲线图的最高效率区域内。 叶轮吸入流量的无级变化是通过旋转安装在叶轮上游的前导叶角度而精确实现的，这可以保证流体流量始终与不断变化的工况负荷相匹配。 大部分AN风机是在定转速下，采用前导叶进行调节的，前导叶角度调节范围非常广 (-75o ~30 o)，所以其性能足够覆盖用户所需的全部运行范围。 当然，如果特殊情况下要求风机在很宽的范围都能达到非常高的运行效率，比如负荷调节范围较宽的电厂，且长期在低负荷状态下运行，那么双速（双速电机或双速齿轮箱）和调速（变频电机、汽轮机驱动）风机将能够展示其优秀的节能经济性。 AN风机最独特的设计特点是装设性能稳定装置KSE，这很好地解决了常规轴流风机的使用范围受失速线限制的问题。当运行点进入常规轴流风机失速线上方而不能稳定运行时，AN风机主流道叶片顶部所产生的反向气流将流经KSE装置重新进入主流道拓宽了风机的工作范围，从而避免了因叶轮主流道内产生的气流往返流动而导致的喘振危害，将风机喘振区域变成了稳流区。 性能曲线图上的绿色区域表示了AN风机单台和并联运行时，稳定工作区由此扩大了的范围。在一定条件下，单台AN风机装上KSE后，从原理论失速线向上直到+30 °性能曲线之间的区域都能稳定运行。 运行效率
轴流式风机原理及运行 一．轴流式风机的结构特点 轴流送风机为单级风机，转子由叶轮和叶片组成，带有一个整体的滚动轴承箱和一个液压叶片调节装置。主轴承和滚动轴承同置于一球铁箱体内，此箱体同心地安装在风机下半机壳中并用螺栓固定。在主轴的两端各装一只支承轴承，为承受轴向力。主轴承箱的油位由一油位指示器在风机壳体外示出。轴承的润滑和冷却借助于外置的供油装置，周围的空气通过机壳和轴承箱之间的空隙的自然通风，以增加了它的冷却。 叶轮为焊接结构，因为叶轮重量较轻，惯性矩也小。叶片和叶柄等组装件的离心力通过推力轴承传递至较小的承载环上，叶轮组装件在出厂前进行叶轮整套静、动平衡的校验。 风机运行时，通过叶片液压调节装置，可调节叶片的安装角并保持这一角度。叶片装在叶柄的外端，叶片的安装角可以通过装在叶柄内的调节杆和滑块进行调节，并使其保持在一定位置上。调节杆和滑块由调节盘推动，而调节盘由推盘和调节环所组成，并和叶片液压调节装置的液压缸相连接。 风机转子通过风机侧的半联轴器、电动机侧的半联轴器和中间轴与电机连接。 风机液压润滑供油装置由组合式的润滑供油装置和液压供油装置组成。此系统有2台油泵，并联安装在油箱上，当主油泵发生故障时，备用油泵即通过压力开关自动启动，2个油泵的电动机通过压力开关联锁。在不进行叶片调节时，油流经恒压调节阀而至溢流阀，借助该阀建立润滑压力，多余的润滑油经溢流阀回油箱。 风机的机壳是钢板焊接结构，风机机壳具有水平中分面，上半可以拆卸，便于叶轮的装拆和维修。叶轮装在主轴的轴端上，主轴承箱用螺钉同风机机壳下半相连接，并通过法兰的内孔保证对中，此法兰为一加厚的刚性环，它将力(由叶轮产生的径向力和轴向力)通过风机底脚可靠地传递至基础，在机壳出口部分为整流导叶环，固定式的整流导叶焊接在它的通道内。整流导叶环和机壳以垂直法兰用螺钉连接。 进气箱为钢板焊接结构，它装置在风机机壳的进气侧。在进气箱中的中间轴放置于中间轴罩内。电动机一侧的半联轴器用联轴器罩壳防护。带整流体的扩压器为钢板焊接结构，它布置在风机机壳的排气侧。为防止风机机壳的振动和噪声传递至进气箱和扩压器以至管道，因此进气箱和扩压器通过挠性连接(围带)同风机机壳相连接。 为了防止过热，在风机壳体内部围绕主轴承的四周，借助风机壳体下半部的空心支承使其同周围空气相通，形成风机的冷却通风。 主轴承箱的所有滚动轴承均装有轴承温度计，温度计的接线由空心导叶内腔引出。为了避免风机在喘振状态下工作，风机装有喘振报警装置。在运行工况超过喘振极限时，通过一个预先装在机壳上位于动叶片之前的皮托管和差压开关，利用声或光向控制台发出报警信号，要求运行人员及时处理，使风机返回到正常工况运行。 轴流风机如下图所示
风机常用计算公式工作必备知识汇总！ 风机常识-风机知识 风机是一种用于压缩和输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动机的机械能量转变为气体能量的一种机械。 1、风机分类及用途 按作用原理分类 透平式风机--通过旋转叶片压缩输送气体的风机。 容积式风机—用改变气体容积的方法压缩及输送气体机械。
按气流运动方向分类 离心式风机—气流轴向驶入风机叶轮后，在离心力作用下被压缩，主要沿径向流动。 轴流式风机—气流轴向驶入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩后近似在圆柱型表面上沿轴线方向流动。 混流式风机—气体与主轴成某一角度的方向进入旋转叶道，近似沿锥面流动。 横流式风机—气体横贯旋转叶道，而受到叶片作用升高压力。 按生产压力的高低分类(以绝对压力计算) 通风机—排气压力低于112700Pa； 鼓风机—排气压力在112700Pa~343000Pa之间； 压缩机—排气压力高于343000Pa以上； 通风机高低压相应分类如下(在标准状态下) 低压离心通风机：全压P≤1000Pa 中压离心通风机：全压P=1000~5000Pa
高压离心通风机：全压P=5000~30000Pa 低压轴流通风机：全压P≤500Pa 高压轴流通风机：全压P=500~5000Pa 2、一般通风机全称表示方法 型式和品种组成表示方法 压力： 离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）,即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有静压、动压、全压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）,其单位常用Pa、KPa、mH2O、mmH2O等。 流量： 单位时间内流过风机的气体容积,又称风量。常用Q来表示,常用单位是：m3/s、m3/min、m3/h（秒、分、小时）。(有时候也用到“质量流量”即单位时间内流过风机的气体质量,这个时候需要考虑风机进口的气体密度,与气体成份,当地大气压,气体温度,进口压力有密切影响,需经换算才能得到习惯的“气体流量”。 转速： 风机转子旋转速度。常以n来表示、其单位用r/min(r表示转速，min表示分钟)。 功率： 驱动风机所需要的功率。常以N来表示、其单位用Kw。
轴流动叶调节原理（TLT结构） 轴流送利用动叶安装角的变化，使的性能曲线移位。性能曲线与不同的动叶安装角与风道性能曲线，可以得出一系列的工作点。若需要流量及压头增大，只需增大动叶安装角；反之只需减少动叶安装角 轴流送的动叶调节，调节效率高，而且又能使调节后的处于高效率区内工作。采用动叶调节的轴流送还可以避免在小流量工况下落在不稳定工况区内。轴流送动叶调节使结构复杂，调节装置要求较高，制造精度要求亦高。 动叶安装角是通过动叶调节机构来执行的，它包括液压调节装置和传动机构。液压缸内的活塞由轴套及活塞轴的凸肩被轴向定位的，液压缸可以在活塞上左右移动，但活塞不能产生轴向移动。为了防止液压缸在左、右移动时通过活塞与液压缸间隙的泄漏，活塞上还装置有两列带槽密封圈。当叶轮旋转时，液压缸与叶轮同步旋转，而活塞由于护罩与活塞轴的旋转亦作旋转运动。所以稳定在某工况下工作时，活塞与液压缸无相对运动。 活塞轴的另一端装有控制轴，叶轮旋转时控制轴静止不动，但当液压缸左右移动时会带动控制轴一起移动。控制头等零件是静止并不作旋转运动的。 叶片装在叶柄的外端，每个叶片用6个螺栓固定在叶柄上，叶柄由叶柄轴承支撑，平衡块与叶片成一规定的角度装设，二者位移量不同，平衡块用于平衡离心力，使叶片在运转中成为可调。 动叶调节机构被叶轮及护罩所包围，这样工作安全，避免脏物落入调节机构，使之动作灵活或不卡涩。 当轴流送在某工况下稳定工作时，动叶片也在相应某一安装角下运转，那么伺服阀将油道①与②的油孔堵住，活塞左右两侧的工作油压不变，动叶安装角自然固定不变。5 `" r# D) 当锅炉工况变化需要减小调节风量时，电信号传至伺服马达使控制轴发生旋转，控制轴的旋转带动拉杆向右移动。此时由于液压缸只随叶轮作旋转运动，而调节杆(定位轴)及与之相连的齿条是静止不动的。于是齿套是以B点为支点，带动与伺服阀相连的齿条往右移动，使压力油口与油道②接通，回油口与油道①接通。压力油从油道②不断进入活塞右侧的液压缸容积内，使液压缸不断向右移动。与此同时活塞左侧的液压缸容积内的工作油从油道①通过回油孔返回油箱。 由于液压缸与叶轮上每个动叶片的调节杆相连，当液压缸向右移动时，动叶的安装角减小，轴流送输送风量和压头也随之降低。 当液压缸向右移动时，调节杆(定位轴)亦一起往右移动，但由于控制轴拉杆不动，所以齿套以A为支点，使伺服阀上齿条往左移动，从而使伺服阀将油道①与②的油孔堵住，则液压缸处在新工作位置下(即调节后动叶角度)不再移动，动叶片处在关
https://www.doczj.com/doc/a86964561.html, 轴流风机机翼型叶片参数化建模方法 马静王振亚 同济大学汽车学院上海（201804） Email:basei@https://www.doczj.com/doc/a86964561.html, 摘要：本文通过创建翼型模板，结合Matlab与UG软件,探讨了风机翼型叶片参数化建模的方法，给出了翼型中线为圆弧时的翼型坐标算法、各截面安装角和站位的处理方法以及Matlab实现程序。并提出了叶片在UG建模时应注意的问题。文中提出的方法，减少了风机建模的工作量，缩短了风机CFD前处理周期，提高了风机流场CFD分析计算的效率和质量。关键词：叶片；参数化设计；UG；Matlab 1. 前言 随着CFD技术的迅速发展，对风机流场计算分析的要求越来越多。风机仿真计算的前期工作量相当大，主要表现在机翼型叶片的建模，其中包括风机叶轮的机翼型叶片，机翼型前导流叶片和叶轮后的止旋片建模。通常在UG软件中输入大量的翼型坐标点是相当麻烦的，而使用*.dat文件导入这些数据的方法要方便的多，但是对不同的叶片计算截面采用*.dat文件手工导入翼型坐标点的工作量仍然非常大，并且修改起来也不方便。通过分析可知，叶片不同计算截面的翼型曲线是相似的，同种翼型只因弧长以及中线形状不同而不同，因此完全可以考虑采用参数化建模的设计方法。采用这种方法可以缩短建模时间，节省大量的工作量，且所建的模型也易于修改。因为在对风机流场进行CFD分析计算时改变风机叶片翼型是对风机模型的重大修改需要花费大量的时间，有了这种方法可以较轻松的完成修改。本文就是基于这种思想，介绍了用Matlab与UG两个软件结合进行风机叶片参数化建模的方法，本方法利用Matlab强大的数据处理能力处理翼型离散点[1]，用UG强大的三维曲面建模能力构建叶片复杂曲面。 2. 翼型离散点的参数化处理 2.1 翼型模板的建立 翼型模板的建立是实现参数化设计的第一步，建立翼型模板库是一个积累的过程，需要将每次用到的翼型和收集到的有价值的翼型参数通过手工输入，建立起翼型模板库，在进行风机叶片建模时就可以非常方便的从翼型模板库里直接调出所需要的翼型。 在Matlab中可以通过一个两列矩阵建立起翼型模板，第一列输入原始翼型的/x l值，第
风机常识-风机知识 风机是一种用于压缩和输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动机的机械能量转变为气体能量的一种机械。 风机分类及用途： 按作用原理分类 透平式风机--通过旋转叶片压缩输送气体的风机。 容积式风机—用改变气体容积的方法压缩及输送气体机械。 按气流运动方向分类 离心式风机—气流轴向驶入风机叶轮后，在离心力作用下被压缩，主要沿径向流动。 轴流式风机—气流轴向驶入旋转叶片通道，由于叶片与气体相互作用，气体被压缩后近似在园柱型表面上沿轴线方向流动。 混流式风机—气体与主轴成某一角度的方向进入旋转叶道，近似沿锥面流动。
横流式风机—气体横贯旋转叶道，而受到叶片作用升高压力。按生产压力的高低分类(以绝对压力计 算) 通风机—排气压力低于112700Pa； 鼓风机—排气压力在112700Pa~343000Pa之间； 压缩机—排气压力高于343000Pa以上； 通风机高低压相应分类如下(在标准状 态下) 低压离心通风机：全压P≤1000Pa 中压离心通风机：全压P=1000~5000Pa 高压离心通风机：全压P=5000~30000Pa 低压轴流通风机：全压P≤500Pa 高压轴流通风机：全压P=500~5000Pa 一般通风机全称表示方法 型式和品种组成表示方法
压力:离心通风机的压力指升压（相对于大气的压力）,即气体在风机内压力的升高值或者该风机进出口处气体压力之差。它有静压、动压、全压之分。性能参数指全压（等于风机出口与进口总压之差）,其单位常用Pa、KPa、mH2O、mmH2O等。 流量:单位时间内流过风机的气体容积,又称风量。常用Q来表示,常用单位是;m3/s、m3/min、m3/h（秒、分、小时）。(有时候也用到“质量流量”即单位时间内流过风机的气体质量,这个时候需要考虑风机进口的气体密度,与气体成份,当地大气压,气体温度,进口压力有密切影响,需经换算才能得到习惯的“气体流量”。 转速：风机转子旋转速度。常以n来表示、其单位用r/min(r表示转速，min表示分钟)。 功率：驱动风机所需要的功率。常以N来表示、其单位用Kw。 常用风机用途代号
轴流风机轴流风机型号、用途、性能及轴流风机参数 ——（浙江聚英风机工业有限公司提供）一、轴流风机型号名称、用途、性能 ■管道加压轴流风机 JSF轴流通风机（SDF）●●大风量轴流风机（JSF-Z） JSF轴流通风机是一种高轮毂比设计的新型节能管道加压风机，具有噪声低、风压适中、气动性能范围广、安装简单等特点，广泛应用于民用、商业及工业厂矿企业建筑工程的管道加压送排风系统。 JSF风机有两种叶轮结构形式，JSF-A采用模压圆柱形轮毂式叶轮，具有效率高、风压大等特点。JSF-Z采用压铸铝合金叶轮，机翼型前掠扭曲可调叶片，具有噪声低、外形美观、铝质叶轮的防腐防爆性能优等优点，常用于机组设备冷却、机械生产线的工艺送风。 本系列风机一般为电机内置直联传动形式，也可做成电机外置皮带传动结构形式，用于输送特殊气体介质的场所，如厨房排油烟、工业热气等。 ■边墙壁式轴流风机 ●DFBZ低噪声方形壁式轴流风机 DFBZ系列风机采用高效低噪声轴流叶轮、风机专用电机直联传动，方形消音型外壳（可进一步降低风机噪声；整机制成方形，墙体预留方孔简单，安装方便）。出风口装有铝合金自垂百叶（可防止室外雨水、灰尘和自然风向室内倒灌）；具有明显的外形美观，噪声低、运行平稳、安装牢固等优点，广泛适用于民用商用建筑工程和厂矿企业车间的低噪声壁式排风。可根据使用场合要求制成防爆防腐型风机。． 本系列风机一般配用三相电机，按用户要求可对以下配用单相电机。
DWEX边墙风机（WEX）●DWEX系列风机采用先进的前掠型叶片、低噪音的外转子或内转子风机专用电机直联传动，方形外壳设计可以方便地安装在混凝土墙、砖墙或轻钢压型墙板上，方形防雨罩结构牢固，外形美观。具有噪声低、风量大、运行可靠、性能参数范围广、安装简便等特点，广泛应用于厂矿企业车间和民用、商用建筑工程的边墙壁式通风换气。根据输送介质的要求，可制成防腐、防爆型。 DWEX(WEX)系列风机一般用于边墙壁式排风，配设45°防雨罩（或特殊制造成60°）和防虫网（夜间可防止昆虫循灯光飞入车间）。可按需要制成边墙送风机型号为DWSP(WSP)，配设90°防雨罩(防风、雨、尘)和防虫网（夜间可防止昆虫循灯光飞入车间）。 附件选配：重力式止回风阀（可确保车间在风机不开时保持与室外隔绝），订货时注明。DWBX板壁式轴流风机●DWBX系列风机采用高效翼型轴流式叶轮与低噪声电机直联驱动，压型金属板式外壳，具有墙面安装简便、整机重量轻、运转平稳、外形美观。多用于轻钢结构建筑边墙、窗框安装的壁式送排风场合。 选配附件：出风口可根据使用场合配设铝制重力式止回阀或加设防雨罩、配设防虫网等，更好的起到防尘、防自然风倒灌作用。 DWBX系列风机一般用于排风，如用于送风需在订货时另行说明。 JYFF大风量窗式负压风机●●DZ低噪声轴流风机 DZ系列风机采用宽叶片、大弦长、空间扭曲倾斜式的轴流叶轮、风机专用电机，直联传动。具有明显的噪声低、风量大、耗电省、重量轻等优点。广泛适用于厂房、仓库、办公楼、住宅等场所的壁式排风、管道送风。． 本系列风机分: DZ-I型壁式（可加设网罩、防雨弯头或防尘自垂百叶）；DZ-II型管道式，带底脚。DZ-III型电机外置式。 本系列风机一般配用三相电机，按用户要求可对以下配用单相电机。根据输送介质要求可制成防
目前在市场上比较常见的动叶调节轴流风机厂商有：豪顿华工程公司、沈阳鼓风机厂、上海鼓风机厂、成都电力设备总厂；豪顿华工程公司和沈阳鼓风机厂是使用同一种调节技术，其技术主要是来自丹麦，且目前的专利是属于英国豪顿公司，上海鼓风机厂的技术主要是来自德国TLT公司，成都电力设备总厂的技术主要是来自德国KKK公司，三种形式的调节机构都有各自的特点和优缺点，下面详细介绍三种调节形式的油路走向以及调节原理。 豪顿华、沈鼓液压调节机构 （一次风机、送风机液压缸）： 1-拉叉2-旋转油封3-拉叉接头4-限位螺栓5-调节阀阀芯6-调节臂部7-错油孔8-错油孔9-弹簧10-活塞11-液压缸缸体12-诅油孔13-液压缸连接盘14-调节盘15-滑动衬套16-旋转油封连接螺栓17-端盖18-连接螺栓19-调节阀阀体20-风机机壳21-连接螺栓 （增压风机、引风机液压缸):
此液压缸分为三部分：旋转油封、调节阀芯、主缸体，其功能主要如下： 旋转油封：其作用是将高压油（P）、回油（O）、润滑油（T）引出或引入高速旋转的缸体，由一高速旋转的轴心和固定不动的壳体在滚动轴承的支撑下组成的，其精度很高，内泄不能太大，长期运行温度不能超过滚动轴承的承受温度。国产的旋转油封使用寿命大概在2～3年左右，豪顿进口的旋转油封，其内部有W形弹簧垫片，可以保证旋转油封的轴向串动，此弹簧垫为豪顿专利，目前国内无法生产，只有豪顿公司可以生产，而且弹簧垫可以提高旋转油封的寿命，故进口的旋转油封价格高于国产旋转油封的10倍以上。调节阀芯：它是一负遮盖换向阀。在正常状态下（动叶不动），进油路（P）常开而回油路（O）常闭，润滑油路（T）常开；负遮盖方式使回油路有一很小的开口量，因而有一定的回油量来循环冷却缸体，此开口量的大小决定了在平衡状态下，液压油的油压；目前国产液压缸，由于加工精度的原因，无法在加工上实现，所以基本是在加工好液压缸后，通过使用来决定开口的大小，以保证工作油压；而豪顿生产的液压缸，其加工精度可以实现在机械加工上直接开口，此即为国产缸与进口缸直接的区别，在国产缸的调阀第二道槽的上边缘有一个小开口，为后期磨出来的，如果大家看到了，不要以为是加工缺陷或者磨损掉的，那个开口是故意留出来的，进口缸就不存在。 主缸体：主缸体是一个上下腔面积不等的差动缸，送风机、一次风机液压缸上下腔面积比为1：2，引风机、增压风机液压缸上下腔面积比为2：1，其这两种缸的形式不一样，后面会详细解释。当上下腔同时进油的时候，由于压力一样，面积不一样，所以大腔收到的力大，膨胀，小腔的油通过诅油孔进入大腔，加剧了大腔的膨胀，这个时候，大腔为缸腔而小腔为泵功能向大腔供油，但大腔回油的时候，小腔有变为缸功能，这一特征使得双向运动的时间及对外作用力一致。 液压缸工作原理： （送风机、一次风机液压缸，特点：活塞固定，缸体动作，叶片的动作是通过缸体的移动来调节的，缺点：油缸的功率受到轮毂大小和工作油压大小的影响，功率受到限制；优点：相对移动的密封面只有活塞与缸体内壁、调节阀体和活塞两个地方，泄漏点较少，密封性好。 正常状体（平衡状态）：叶片无调节，此时阀芯的位置使进油口（P）与小腔接通，回油口（O）关闭，但与大腔有个小切口，以保证循环冷却和较低的工作油压。此时压力油从P口进入小腔，通过诅油孔，进入大腔，从回油的小切口，通过冷油器后回到油箱中，泄漏及润滑油的通过T口直接回油箱，工作油压的大小，由回油切口的大小来决定，一般都是在3～4MPa左右。 开启叶片：执行机构带动拉叉（旋转油封、调节阀芯）向左拉，此时P口与小腔接通，O口与大腔接通（全部接口，不是小切口），此时小腔进油，大腔回油，小腔膨胀（活塞是固定的）带动缸体向左移动，