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空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)幾何建模的參數(shù)化

張師帥 李偉華 / 華中科技大學(xué)能源學(xué)院

摘要：根據(jù)幾何關(guān)系，建立了空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)的三維數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)幾何建模的 參數(shù)化。本研究成果極大地縮短了 空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)CFD分析的前處理時(shí)間。
關(guān)鍵詞：多翼離心式通風(fēng)機(jī) ； 幾何建模； 參數(shù)化
中圖分類號(hào)： TH432 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B
文章編號(hào)：1006-8155（2007） 05-0026-04
Parameterized Geometry Model of Multi-blade Centrifugal Fan Used by Air Conditioning
Abstract: According to the relation of geometry, the 3-D mathematical model of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning is obtained and the parameterized geometry model of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning is realized. The results reduce extremely the CFD preprocessor time of multi-blade centrifugal fan used by air conditioning.
Key words: multi-blade centrifugal fan; geometry model; parameterize

0 　引言

　　多翼離心通風(fēng)機(jī)因其壓力系數(shù)高，流量系數(shù)大，結(jié)構(gòu)尺寸小，噪聲低而廣泛應(yīng)用于家用電器和空調(diào)設(shè)備等低壓通風(fēng)換氣的場(chǎng)合。空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)具有 葉片數(shù)多、葉片曲率大、流道短等特點(diǎn)，目前的設(shè)計(jì)方法還不太完善，有關(guān)葉輪參數(shù)的確定仍依靠經(jīng)驗(yàn)公式。因此， 為了確保所設(shè)計(jì)的多翼離心通風(fēng)機(jī)性能穩(wěn)定，通常需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，這將使得產(chǎn)品的研發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高[1]。
　　研究表明：在 多翼離心通風(fēng)機(jī) 設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析（CFD），不僅可以使設(shè)計(jì)人員獲得產(chǎn)品的內(nèi)部流動(dòng)情況，而且還可以使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案[2] 。
　　 然而，目前在采用通用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（如FLUENT）進(jìn)行多翼離心通風(fēng)機(jī)性能分析時(shí)，若葉輪幾何參數(shù)稍有變化，或者葉片數(shù)目有所調(diào)整，或者蝸殼型線有所變化，或者電機(jī)型號(hào)更改，都必須重新對(duì)它進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分等前處理工作，這將花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。因此，針對(duì)空調(diào)用 多翼離心通風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，建立風(fēng)機(jī)各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)整機(jī)幾何建模的 參數(shù)化，這對(duì)于縮短CFD分析前處理時(shí)間具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 幾何建模

　　空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)通常由葉輪、蝸殼、集流器、電機(jī)四大部件構(gòu)成，每個(gè)部件都具有各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生影響。若要實(shí)現(xiàn)整機(jī) 幾何 建模的 參數(shù)化，首先必須建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型。

1.1 葉輪建模

　　多翼離心通風(fēng)機(jī)的葉片翼型通常都基于某種原始翼型，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。對(duì)于葉片翼型的這種可選擇性，可以采用數(shù)據(jù)庫(kù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
葉片造型的主要參數(shù)為
（1）葉輪外徑D2 ；
（2）輪徑比x ；
（3）進(jìn)口安裝角b1A ；
（4）出口安裝角b2A ；
（5）葉片數(shù)z ；
（6）葉片長(zhǎng)度L 。
　　 另外，多翼離心通風(fēng)機(jī)翼型中線的形狀一般采用兩種形式構(gòu)成，即圓弧形和拋物線形。其中，圓弧形又包括單圓弧和雙圓弧，或者它們與直線的組合。具體為單圓弧、單圓弧+直線、雙圓弧、雙圓弧+直線4種組合。由此可知，加上拋物線形，翼型中線形狀共有5種類型。

　　對(duì)于上述5種翼型中線，葉片造型所需參數(shù)稍有不同，除了前面介紹的6個(gè)基本參數(shù)外，可能還需要增加某些參數(shù)。
　　 對(duì)于單圓弧，只需6個(gè)基本參數(shù)，無(wú)需再增加參數(shù)。單圓弧翼型中線的幾何關(guān)系如圖1所示
　　 通過幾何關(guān)系，計(jì)算獲得葉片造型所需的主要參數(shù)。

　　對(duì)于單圓弧+直線，除需6個(gè)基本參數(shù)外，還需要給出直線位置x1，以幫助確定翼型中線從哪個(gè)位置開始為直線。
　　對(duì)于雙圓弧，除需6個(gè)基本參數(shù)外，還需要給出最大撓度位置x2，以幫助確定翼型中線兩段圓弧的交點(diǎn)（即切點(diǎn)）。
　　對(duì)于雙圓弧+直線，除需6個(gè)基本參數(shù)外，還需要給出直線位置x1和最大撓度位置x2，以幫助確定翼型中線兩段圓弧的交點(diǎn)（即切點(diǎn)），以及翼型中線從哪個(gè)位置開始為直線。
　　對(duì)于拋物線，只需6個(gè)基本參數(shù)，無(wú)需再增加參數(shù)。
　　對(duì)于上述4種翼型中線的葉片，其幾何關(guān)系與單圓弧相類似，故在此不多述。
　　而對(duì)于葉片的旋轉(zhuǎn)以及 沿半徑方向平移至圓周等，則可見文獻(xiàn)[3] 。
　　這樣在確定了葉片翼型、翼型中線以及葉片造型的主要參數(shù)之后，就可以實(shí)現(xiàn)葉輪的參數(shù)化建模了。

1.2 蝸殼建模

　　蝸殼是多翼離心通風(fēng)機(jī)的一個(gè)重要組成部分，其作用是將離開葉輪的氣體集中、導(dǎo)流，并將氣體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能。
　　蝸殼型線一般有等邊基和不等邊基兩種，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
　　蝸殼造型的主要參數(shù)為
（1）開度A ；
（2）寬度B ；
（3）出口長(zhǎng)度C ；
（4）擴(kuò)壓器長(zhǎng)度E ；
（5）擴(kuò)壓器內(nèi)側(cè)傾角 q 1 ；
（6）擴(kuò)壓器外側(cè)傾角q2 ；
（7）蝸舌間隙t ；
（8）蝸舌圓弧半徑r 。
　　 蝸殼的具體作圖方法見文獻(xiàn)[4] ，這里不再贅述。

1.3 集風(fēng)器建模

　　集風(fēng)器（或進(jìn)氣口）的作用是保證氣流能均勻充滿葉輪進(jìn)口截面，降低流動(dòng)損失。集風(fēng)器有很多種類型，如：圓筒形、圓錐形、弧形、錐筒形、弧筒形及錐弧形等，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
　　 集風(fēng)器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為
（1）進(jìn)口直徑d1 ；
（2）出口直徑d2 ；
（3）錐角q ；
（4）圓弧半徑r1 ；
（5）集風(fēng)器長(zhǎng)度F 。
　　 集風(fēng)器的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)線面體過程，通過以上參數(shù)可計(jì)算出集風(fēng)器5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，然后連點(diǎn)成線，再連線成面，最后旋轉(zhuǎn)得體。

1.4 電機(jī)建模

　　空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)通常都自帶電機(jī)，電機(jī)一般存在內(nèi)置和外置兩種安裝方式，而離心通風(fēng)機(jī)通常具有 單吸和雙吸兩種類型，這樣可能產(chǎn)生4種不同組合，建模時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
　　電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為
（1）電機(jī)直徑de ；
（2）電機(jī)軸徑dx ；
（3）內(nèi)置長(zhǎng)度Li ；
（4）輪盤厚度h 。
　　 通過以上各參數(shù)可以調(diào)整電機(jī)的尺寸與布置，完成電機(jī)建模。
　　 軟件還提供了一個(gè)電機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中現(xiàn)有的電機(jī)類型，也可以將數(shù)據(jù)存貯到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便下次使用。

2 應(yīng)用舉例

　　某空調(diào)用多翼離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為
　　 （1）葉輪：采CW-1翼型，中線形狀為雙圓弧加直線。葉輪參數(shù)為外徑D2=340mm，輪徑比x=0.824 ，進(jìn)口安裝角b1A=61°，出口安裝角b2A=143°，葉片數(shù)z =35 ，葉片長(zhǎng)度L =130mm，直線位置x1=0.845 弦長(zhǎng)，最大撓度位置x2=0.4 弦長(zhǎng)。
　　 （2）蝸殼：采用不等邊基型線。蝸殼參數(shù)為 開度A=87mm，寬度B=158mm，出口長(zhǎng)度C=278mm，擴(kuò)壓器長(zhǎng)度E=350mm，擴(kuò)壓器內(nèi)側(cè)傾角q1 =30°，擴(kuò)壓器外側(cè)傾角q2=6°，蝸舌間隙t=20mm，蝸舌圓弧半徑r=20mm 。
　　（3） 集風(fēng)器： 進(jìn)口直徑d1=400mm ，出口直徑d2=340mm ，錐角q =60°，圓弧半徑r
產(chǎn)品型號(hào)：ST盛馳標(biāo)準(zhǔn)型風(fēng)刀/水刀結(jié)構(gòu)獨(dú)特設(shè)計(jì)，主要有圓形進(jìn)風(fēng)口、寬直風(fēng)道、分流板、漸窄風(fēng)道及一段平直窄風(fēng)道組成，風(fēng)道寬度可調(diào)，即實(shí)現(xiàn)了出風(fēng)風(fēng)速可調(diào)、風(fēng)量可調(diào)、風(fēng)壓可調(diào)，具有風(fēng)阻小，壓損小的特點(diǎn)。特別適用于超聲波清洗、玻璃清洗機(jī)、電路板、電鍍件、涂膜、涂裝、有色金屬板/線材生產(chǎn)等不同行業(yè)多種工序中的除水干燥；可用于有害氣體、粉塵、冷熱空氣的無(wú)障隔離、印刷給紙上的吹紙及印后干燥；可用于食品、醫(yī)藥的急速加熱、解凍與高溫殺滅菌；可用于除塵及靜電除塵。
◆ 盛馳標(biāo)準(zhǔn)型風(fēng)刀/水刀采用不銹鋼304為刀身本體，鋁合金6061為刀片，制作精密，出風(fēng)強(qiáng)勁，具有節(jié)能高效、實(shí)用可靠的特點(diǎn)。
◆ 結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，確保出風(fēng)風(fēng)阻小，風(fēng)速平均，風(fēng)形均勻，精度可達(dá)±5%。
◆ 出風(fēng)口寬窄可調(diào)(0.1-5mm)，多種進(jìn)風(fēng)口口徑及位置可選，方便安裝。訂制長(zhǎng)度可達(dá)6米。
◆ 最高風(fēng)速200m/s，最高耐溫250℃，最大耐壓2kgf/cm2。
◆ 可配套使用渦流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)作氣源，應(yīng)用靈活方便。
◆ 與熱風(fēng)機(jī)配套，可進(jìn)行熱風(fēng)干燥及熱風(fēng)急速干燥或殺滅菌。


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