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空调用多翼离心通风机几何建模的参数化
张师帅 李伟华 / 华中科技大学能源学院
摘要：根据几何关系，建立了空调用多翼离心通风机的三维数学模型，实现了空调用多翼离心通风机几何建模的 参数化。本研究成果极大地缩短了 空调用多翼离心通风机CFD分析的前处理时间。
关键词：多翼离心式通风机 ； 几何建模； 参数化
中图分类号： TH432 文献标识码： B
文章编号：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
多翼离心通风机因其压力系数高，流量系数大，结构尺寸小，噪声低而广泛应用于家用电器和空调设备等低压通风换气的场合。空调用多翼离心通风机具有 叶片数多、叶片曲率大、流道短等特点，目前的设计方法还不太完善，有关叶轮参数的确定仍依靠经验公式。因此， 为了确保所设计的多翼离心通风机性能稳定，通常需要进行大量试验，这将使得产品的研发周期长，费用高[1]。
研究表明：在 多翼离心通风机 设计过程中进行计算流体动力学分析（CFD），不仅可以使设计人员获得产品的内部流动情况，而且还可以使设计人员在设计过程中预测产品的整体性能，及时调整设计方案[2] 。
然而，目前在采用通用的计算流体动力学软件（如FLUENT）进行多翼离心通风机性能分析时，若叶轮几何参数稍有变化，或者叶片数目有所调整，或者蜗壳型线有所变化，或者电机型号更改，都必须重新对它进行几何建模和网格划分等前处理工作，这将花费大量的时间和精力。因此，针对空调用 多翼离心通风机的特点，建立风机各个部件的数学模型，实现整机几何建模的 参数化，这对于缩短CFD分析前处理时间具有重要的现实意义。
1 几何建模
空调用多翼离心通风机通常由叶轮、蜗壳、集流器、电机四大部件构成，每个部件都具有各自的结构特点，且对整机性能产生影响。若要实现整机 几何 建模的 参数化，首先必须建立各个部件的数学模型。
1.1 叶轮建模
多翼离心通风机的叶片翼型通常都基于某种原始翼型，设计时可根据需要进行选择。对于叶片翼型的这种可选择性，可以采用数据库的方式来实现。
叶片造型的主要参数为
（1）叶轮外径D2 ；
（2）轮径比x ；
（3）进口安装角b1A ；
（4）出口安装角b2A ；
（5）叶片数z ；
（6）叶片长度L 。
另外，多翼离心通风机翼型中线的形状一般采用两种形式构成，即圆弧形和抛物线形。其中，圆弧形又包括单圆弧和双圆弧，或者它们与直线的组合。具体为单圆弧、单圆弧+直线、双圆弧、双圆弧+直线4种组合。由此可知，加上抛物线形，翼型中线形状共有5种类型。
对于上述5种翼型中线，叶片造型所需参数稍有不同，除了前面介绍的6个基本参数外，可能还需要增加某些参数。
对于单圆弧，只需6个基本参数，无需再增加参数。单圆弧翼型中线的几何关系如图1所示
通过几何关系，计算获得叶片造型所需的主要参数。
对于单圆弧+直线，除需6个基本参数外，还需要给出直线位置x1，以帮助确定翼型中线从哪个位置开始为直线。
对于双圆弧，除需6个基本参数外，还需要给出最大挠度位置x2，以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点（即切点）。
对于双圆弧+直线，除需6个基本参数外，还需要给出直线位置x1和最大挠度位置x2，以帮助确定翼型中线两段圆弧的交点（即切点），以及翼型中线从哪个位置开始为直线。
对于抛物线，只需6个基本参数，无需再增加参数。
对于上述4种翼型中线的叶片，其几何关系与单圆弧相类似，故在此不多述。
而对于叶片的旋转以及 沿半径方向平移至圆周等，则可见文献[3] 。
这样在确定了叶片翼型、翼型中线以及叶片造型的主要参数之后，就可以实现叶轮的参数化建模了。
1.2 蜗壳建模
蜗壳是多翼离心通风机的一个重要组成部分，其作用是将离开叶轮的气体集中、导流，并将气体的部分动能转变为静压能。
蜗壳型线一般有等边基和不等边基两种，设计时可根据需要进行选择。
蜗壳造型的主要参数为
（1）开度A ；
（2）宽度B ；
（3）出口长度C ；
（4）扩压器长度E ；
（5）扩压器内侧倾角 q 1 ；
（6）扩压器外侧倾角q2 ；
（7）蜗舌间隙t ；
（8）蜗舌圆弧半径r 。
蜗壳的具体作图方法见文献[4] ，这里不再赘述。
1.3 集风器建模
集风器（或进气口）的作用是保证气流能均匀充满叶轮进口截面，降低流动损失。集风器有很多种类型，如：圆筒形、圆锥形、弧形、锥筒形、弧筒形及锥弧形等，设计时可根据需要进行选择。
集风器的主要设计参数为
（1）进口直径d1 ；
（2）出口直径d2 ；
（3）锥角q ；
（4）圆弧半径r1 ；
（5）集风器长度F 。
集风器的设计是一个简单的点线面体过程，通过以上参数可计算出集风器5个关键点的坐标，然后连点成线，再连线成面，最后旋转得体。
1.4 电机建模
空调用多翼离心通风机通常都自带电机，电机一般存在内置和外置两种安装方式，而离心通风机通常具有 单吸和双吸两种类型，这样可能产生4种不同组合，建模时可根据需要进行选择。
电机的主要设计参数为
（1）电机直径de ；
（2）电机轴径dx ；
（3）内置长度Li ；
（4）轮盘厚度h 。
通过以上各参数可以调整电机的尺寸与布置，完成电机建模。
软件还提供了一个电机数据库，可以选择数据库中现有的电机类型，也可以将数据存贮到数据库，方便下次使用。
2 应用举例
某空调用多翼离心通风机的设计参数为
（1）叶轮：采CW-1翼型，中线形状为双圆弧加直线。叶轮参数为外径D2=340mm，轮径比x=0.824 ，进口安装角b1A=61°，出口安装角b2A=143°，叶片数z =35 ，叶片长度L =130mm，直线位置x1=0.845 弦长，最大挠度位置x2=0.4 弦长。
（2）蜗壳：采用不等边基型线。蜗壳参数为 开度A=87mm，宽度B=158mm，出口长度C=278mm，扩压器长度E=350mm，扩压器内侧倾角q1 =30°，扩压器外侧倾角q2=6°，蜗舌间隙t=20mm，蜗舌圆弧半径r=20mm 。
（3） 集风器： 进口直径d1=400mm ，出口直径d2=340mm ，锥角q =60°，圆弧半径r
产品型号：ST盛驰标准型风刀/水刀结构独特设计，主要有圆形进风口、宽直风道、分流板、渐窄风道及一段平直窄风道组成，风道宽度可调，即实现了出风风速可调、风量可调、风压可调，具有风阻小，压损小的特点。特别适用于超声波清洗、玻璃清洗机、电路板、电镀件、涂膜、涂装、有色金属板/线材生产等不同行业多种工序中的除水干燥；可用于有害气体、粉尘、冷热空气的无障隔离、印刷给纸上的吹纸及印后干燥；可用于食品、医药的急速加热、解冻与高温杀灭菌；可用于除尘及静电除尘。
◆ 盛驰标准型风刀/水刀采用不锈钢304为刀身本体，铝合金6061为刀片，制作精密，出风强劲，具有节能高效、实用可靠的特点。
◆ 结构采用独特设计，确保出风风阻小，风速平均，风形均匀，精度可达±5%。
◆ 出风口宽窄可调(0.1-5mm)，多种进风口口径及位置可选，方便安装。订制长度可达6米。
◆ 最高风速200m/s，最高耐温250℃，最大耐压2kgf/cm2。
◆ 可配套使用涡流风机、离心风机、空压机作气源，应用灵活方便。
◆ 与热风机配套，可进行热风干燥及热风急速干燥或杀灭菌。
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