摘要：研究不同蜗壳开度对离心风机气动性能的影响。采用Pfleiderer机壳型线计算方法，通过改变x值来调节蜗壳的开度，然后数值模拟计算应用不同开度蜗壳的风机，通过对风机整体气动参数、机壳损失分布以及叶轮流场变化的分析来研究开度不同对风机气动性能的影响。数值模拟结果显示，设计机壳时所取蜗壳开度越大，风机流量越大，但其负面影响是全压和效率的下降。蜗壳开度的增加，改善了叶轮流道流动，使其出口更为均匀，掺混损失减小，但机壳表面积的增大带来更大的摩擦损失。机壳开度增加时叶轮内部流动情况的整体改善，是叶轮效率提高的主要原因，但摩擦损失的增加导致了整机效率的下降。
关键词：离心风机；蜗壳开度
中图分类号：TH432 文献标志码：B
Investigation of the Effect of Volute Openness on Aerodynamic Characteristics of a Centrifugal Fan
Abstract: The effect of different volute openness on aerodynamic characteristic of a centrifugal fan is investigated. The x in the methodology of Pfleiderer housing profile is changed to regulate the volute openness. By comparing the changes on aerodynamic performance, distribution of loss in housing and changes of the flow field, the impact of different openness on fan aerodynamic performance is studied. It can be seen from the numerical simulation results that while openness goes up, the flow of fan is increasing, with the total pressure and efficiency decreasing. The increase of volute openness improves the flow in impeller channel, makes outlet more uniform and mixing loss decrease. But it also increases the friction loss due to the increasing of casing surface. The use of big openness in volute is the main reason of the increase of impeller efficiency, but the increasing of friction loss leads to the decreasing of the fan’s efficiency.
Key words: centrifuge fan; volute openness
0 引言
　　离心风机的核心主要由叶轮和机壳两个部分组成，其中机壳的工作原理主要是将叶轮流道出口的气体进一步减速增压并导向风机出口，以达到工程所需出口压力的要求。机壳的设计较为简单，包括机壳型线的计算、截面形式的选择、蜗舌结构的选取等，其中最为主要的是机壳型线的计算方法，此关系到叶栅流道出口到风机出口流管的流动状况^[1] 。国外主要有两种经典的离心式叶轮机械机壳型线设计方法。Stepanoff^[2]提出等速度设计方法，通过将速度保持在一常数而将损失降到最小。Pfleiderer^[3]提出等环量设计方法，亦称为等角动量设计，其考虑了半径的影响，使低转速离心机的设计成为可能。Pfleiderer法能有效的减小机壳尺寸。国内常用的离心叶轮机壳型线设计方法有等环量法及平均速度法等^[4] ，其大多为Pfleiderer法的一种特例。其他还有一些型线的作图方法广泛应用于工程实践中，包括等边基圆法、不等边基圆法等^[5] 。
　　本文采用Pfleiderer机壳型线计算方法，通过数值模拟^[6-9]的方式，研究蜗壳开度对离心风机气动性能的影响。
1 计算方法
　　如图1所示，Pfleiderer设计方法以中心右侧的水平线作为起始与终止截面，φ值全周360°。通过某指定φ处的截面的流量为Qφ 。
　　Pfleiderer法中，取c_ur^x=const，当x=1时，角动量为常数，当极端取x=0时，叶轮出口各处速度相等。
　　　　　　　　　　　　　　　　
式中各变量分别为：体积流量Q，m³/s；叶轮出口绝对速度切向分量c_u4，m/s；叶轮出口半径r4，m；不同半径处的机壳厚度b(r)，m。图1中，型线终止截面a-a在径向的长度即为蜗壳张开A，Pfleiderer法中，可以通过改变c_ur^x=const中的x值来调节蜗壳开度A^[10-12] 。

　　计算采用ANSYS/CFX商业软件的流场求解器，采用k-ε湍流模型，差分格式采用高精度混合差分。所有计算方案均采用设计工况的气动边界条件，进口总温473K，总压98 940.3Pa，出口静压101 673Pa，固壁为绝热、无滑移边界条件。设计工况参数为全压3 233Pa，进口流量30 000m³/h。

　　图4所对应的是机壳轴向相对距离上的总压损失系数分布，以进气方向为起点，为“0”。87%机壳轴向位置对应叶轮后盘，80%~90%对应的是靠近叶轮后盘区域，此处叶轮流道中分离尺度最小，出口较为均匀，机壳在此位置掺混损失 最小。47%机壳轴向位置对应叶轮前盘，0~47%机壳轴向位置段为机壳中进风口部分，机壳该部分损失最高，且损失随着蜗壳开度的增大而增加，究其原因，该部分损失的增加可能与机壳表面积增大而带来的更大的摩擦损失有关。47%~87%机壳轴向位置段为叶轮部分，该部分的损失随着蜗壳开度的增加而减小，究其原因，可能为蜗壳开度的增加改善叶轮流道流动，使出口更为均匀，掺混损失减小。蜗壳开度的增加导致机壳径向的尺寸增大，气流在机壳内更易折转，亦可能为该段损失降低的原因之一。
3.4 叶轮部件的流场分析
　　前文已对不同开度机壳内部流动损失情况做简要分析。在此将通过对具体流场的展示，更为直观的分析不同开度机壳对风机流场结构的影响。风机叶轮全周的各叶栅流道流动状况并不相同，部分流道分离流动尺度较大^[14] 。取叶轮中距后盘5%叶高的截面对不同开度机壳对叶轮内流场的影响进行分析。