离心式风机及其结构的研究进展

王晓燕，张绍广，雷戽雨

(1.沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136;2.沈阳盛纳机械制造有限公司，沈阳 110200)

离心式风机及其结构的研究进展

王晓燕1，张绍广1，雷戽雨2

(1.沈阳航空航天大学 机电工程学院，沈阳 110136;2.沈阳盛纳机械制造有限公司，沈阳 110200)

工业风机根据气体进入叶道的方向不同可以分为轴流式、离心式和混流式三种。离心风机应用最为广泛，其性能的提升对节约能源具有重大的意义。主要对离心风机的研究进展进行综合评述。介绍了离心风机叶轮、蜗壳、集流器三大主要部件以及每个部件的国内外研究进展。分析了各个部件对风机性能的影响，阐明了不同优化方法对离心风机性能的提升效果。论述了激光增材制造技术和相似原理在离心风机设计制造中的应用，并从市场需求的角度对离心风机优化设计技术愿景进行了展望。

离心风机；增材制造；相似原理；研究进展

18世纪欧洲蒸汽机车的出现，使得钢铁工业、煤炭工业迅速发展，同时也使上游产业通风机、鼓风机、压缩机快速发展起来。离心风机是工业风机的一种，广泛应用于能源、化工、冶炼、造纸、以及环保等重要行业，是工业生产的重要配套设备，同时也是能源消耗的大户。据统计，国内风机每年消耗总发电量的6%左右，其中有一半是离心风机耗电。因此研究提高风机整体性能的方法，对节约能源具有重大的意义[1]。目前，国内外的离心风机正朝着大型化、高效化、高速小型化、低噪声化、节能化方向发展[2]。在迎合市场需求的过程中，风机的研发经历了漫长的技术发展阶段，国内外的相关科技工作者们以结构优化为手段，在提升风机的节能减排和降噪功效方面做了大量的研究工作，建立了相对完善的风机设计体系。本文对离心风机结构研究进展，激光增材制造技术和相似原理在风机设计中的应用进行了综合评述。

1 离心风机主要部件的研究进展

离心风机由集流器、叶轮(叶轮由前盘、后盘和叶片组成)、蜗壳、出口、截流板(蜗舌)、支架组成。叶轮、蜗壳、集流器为离心风机的三大主要部件，叶轮是离心风机的旋转部件，主要起着传递能量的作用；蜗壳主要用来收集来自叶轮的增压气体，并将部分动压转化为静压，最后将气体从出口导出；集流器具有保证气流均匀地流入叶轮进口截面，以降低流动损失提高叶轮的效率的作用，下面分别介绍这三部分国内外的研究进展。

1.1 叶轮结构的研究进展

风机运行过程中，叶轮是影响离心风机效率高低、压力系数和流量系数大小以及噪声水平高低的核心部分。叶片结构包括叶片的形状及叶片组合情况两部分。叶片形状主要有直线型、弧线形和机翼型三种。根据叶片出口安装角的不同，叶片又可分为前向、径向、和后向三种类型。国内外众多学者在离心风机叶片结构及叶片材料等方面进行了深入研究。

叶轮内的流动损失主要发生在叶道内，2007年刘开锋等[3]针对减小叶道内流动损失，提出了叶片的等减速流型，并有效提高了风机的效率。2014年吴让利等[4]采用了‘双弧段’叶片，并将此叶片与等速型叶片进行对比，获得了更宽的稳定工况范围和更高的全压。为了获得最佳的叶片形状，2015年Young-Tae Lee等[5]采用数值模拟与试验相结合的方法，分别对S型叶片、直叶片、前向型叶片、后向型叶片进行了研究，认为前向型叶片的风机运行效果最好,最大流量可以达2.2 m3/min。

叶轮流道内的回流为无效功率，不仅会降低风机效率，还会增大风机的噪声。为了减小叶轮流道内的回流区，叶片组合经历了只有主片到主叶片与分流叶片组合的变化。2012年Jin-Hyuk Kim等[6]对具有分流叶片的离心风机进行了数值研究。他们的研究结果表明，通过改变具有分离叶片叶轮的主叶片数量，可以有效减小叶轮流道内的回流区域。

噪声的高低是评价风机质量好坏的一个重要方面[7]，上述改进方法均未考虑叶片改善后对风机噪声的影响。叶片后缘的改进对于改善风机性能、降低风机噪声具有重要的意义[8]，众多学者对风机叶片的后缘进行了改进研究。2011年Seung Heo等[9]将叶片的线性后缘改为S型后缘，发现S型后缘叶片可以有效降低空调风机的噪声，使噪声降低接近2.2 dB。2012年刘小民等[10]利用逆向工程提取了苍鹰尾缘的降噪元素，建立了仿生锯齿后缘叶片。通过对仿生锯齿后缘叶片和标准叶片进行三维流场和声场计算，结果表明仿生锯齿形叶片的总A计权声压级比标准叶片降低了9.8 dB，并详细论述了锯齿形仿生叶片降低气动噪声的机理。

科技工作者对于特殊工作环境和工作性质的风机叶片选材也进行了相关的研究，如：金属叶片对温度普遍比较敏感，为了增强叶片的耐高温特性，2008年Tahsin Engin等[11]对半开式陶瓷叶轮在800 ℃高温下进行了试验研究，包括在温度升高的情况下，径向间隙和叶轮几何形状对此种叶轮性能的影响。试验结果表明，径向间隙对简单陶瓷叶轮的几何形状影响不大，并且温度对这种叶轮的径向泄漏量影响也不显著。

1.2 蜗壳结构的研究进展

蜗壳的结构形状对离心风机的内部流场有很大的影响。蜗壳的几何形状参数包括蜗壳的横截面面积的圆周变化、横截面形状、横截面的径向位置、蜗壳入口位置、蜗舌的结构五部分[12-13]。蜗舌的位置、形状和角度，在避免蜗壳内部冲击、减少分离损失和降低噪声等方面起着重要的作用[14-16]。

按横截面形状的不同，蜗壳可以分为矩形截面蜗壳、平行壁蜗壳(如图1)、圆形截面蜗壳等。2001年 Reunanen等[17]研究了截面形状对风机性能的影响，对比了圆形截面蜗壳和矩形截面蜗壳形状对风机性能的作用。研究结果表明小流量情况下截面形状的不同对风机的压力和流量都有很大影响。为了得到圆形截面蜗壳和矩形截面蜗壳哪个效果更好，2012年范厚传[18]等在全工况下，对圆形截面蜗壳和矩形截面蜗壳对涡轮性能的影响进行了对比分析。研究结果表明，采用圆形截面的涡轮效率高于矩形截面的涡轮。2016年C.Hariharan和M.Govardhan[19]对平行壁蜗壳进行了研究，发现对于相同的外部尺寸，平行壁蜗壳比现有的矩形截面蜗壳多近40%的横截面积，结构更加紧凑，使离心风机工作性能提升，效率更高，能耗更低。

图1 平行壁蜗壳

图2 蜗壳型线改进图

蜗壳线型的设计方法同样是影响风机工作效率的主要因素之一。基于一元流动假设，要使蜗壳风道中的气流压力与动量矩不发生变化，蜗壳内壁型线应是一条对数螺旋线。传统的一维设计方法有等边基元法和不等边基元法，然而等边基元法和不等边基元法，做出的蜗壳型线与对数螺旋线之间都存在较大误差。1999年上海理工大学叶増明等[20]提出蜗壳型线的一种新的绘制方法，做出的蜗壳型线更接近对数螺旋线或阿基米德螺线，并得到了广泛的应用。以上三种设计方法虽然在工程上得到了普遍的应用，但是其设计均是按照对数螺旋线进行设计。蜗壳型线按照对数螺旋线进行设计，基于以下四点假设(1)蜗壳中流动是稳定的；(2)忽略流体的粘性；(3)流体从叶轮中的出流速度均匀；(4)蜗壳内充满流体。上述假设除第1、4条能基本满足外，第2、3条均与实际情况有较大出入[21]。随着数值计算条件的改善，蜗壳的优化设计方法也越来越完善。2015年Beena.D.Baloni等[22]提出蜗壳优化设计的田口方法，研究表明在蜗壳宽度为1.5倍叶轮宽度、蜗舌角为24°、蜗壳外径向位置减少10%时，风机的全压和流量都有明显的提高。

1.3 集流器结构的研究进展

集流器的结构型式和位置型式对离心风机的内流特性有很大的影响。目前常采用的集流器形状有圆筒形、圆锥形、锥弧形和喷嘴形四种[23]，这些传统的集流器截面形状大多为圆形。这种在圆周方向上的对称结构不一定适用于叶轮进口的非对称流场，2011年温选锋等[24]针对中央空调中广泛应用的多翼离心风机，设计了截面形状为椭圆形的集流器。并对椭圆形集流器不同的偏心角和偏距进行了试验研究，结果表明具有合理结构参数和安装位置的椭圆形集流器可以在提高风机气动性能的同时，降低风机的噪声。

集流器的位置型式对离心风机的流动特性也有很大的影响，位置型式主要涉及两部分：集流器的安装方式、集流器与叶轮之间的轴向间隙。集流器的安装方式有对心安装与偏心安装两种，有学者研究认为集流器的偏心安装可以提高离心风机的气动特性[25]。2005年王嘉冰等[26]对进气口偏心安装进行了数值研究，研究表明风机进气口向蜗壳内侧偏置适当距离，可以提高风机的气动特性，但是该研究文献并没有给出具体的偏心距。2012年杨昕等[27]研究了集流器偏心安装，对风机气动特性与噪声的影响进行了实验研究，分别给出了使风机整体性能最好和噪声最低的偏心比与偏心角。

集流器与叶轮间隙是影响风机工作性能的另一个重要因素。2002年庄镇荣[28]经研究认为集流器与叶轮之间的轴向间隙为叶轮外径的0.020-0.025倍为宜，然而并没有说明此间隙影响风机性能的原因。2013年Mojtaba Gholamian等[29]采用数值模拟的方法，应用不同的模型和网格划分方式，分析了集流器与叶轮之间的轴向间隙对风机整体性能的影响及风机内流场的流动模式和机理，给出了此轴向间隙影响风机效率和性能的原因。

综上所述，近年来国内外众多学者对离心风机的结构进行了深入研究，取得了较大的进展，许多研究成果已经成功应用到风机产品中，但优化离心风机结构的同时，改进风机的加工工艺依然是科研人员和企业面临的重大课题。

2 离心风机设计方法的研究进展

离心风机设计方法随着数值计算条件的不断改善，也不断地发展和完善。传统的离心风机设计方法均按一元理想流处理。假设叶轮中的流体流动是恒定流，叶轮中叶片数目为无穷多个且叶片无限薄，考虑实际叶片数影响的修正因子(滑移率)，是早期风机设计的经典研究方法。这种方法未考虑到风机三大部件之间的相互影响，并且在风机设计中还有很多经验成分。1998年朱之墀等[30]对离心风机内部流场进行了数值研究，将离心风机分为三个程序分别计算，再考虑部件之间的相互影响，改进了风机的结构，提高了风机的性能。但此种方法对设计人员要求较高，编程比较复杂。随着整机流场数值模拟技术的出现，离心风机的设计更加方便快捷。2004年Weixiong Wang等[31]应用计算机流体计算(CFD)技术，对离心风机整机进行了数值研究，并分析了叶片入口角和叶轮间隙对离心风机的影响，根据优化设计的参数制造了样机与数值模拟结果基本相符。随着离心风机三维设计软件的开发应用，如CFturbo、TURBOdesign等，大大提高了离心风机的设计效率。2013年邓建刚等[32]应用CFturbo软件对离心风机模型进行了优化设计，并制造样机进行试验，证明此方法设计的风机满足要求。然而，生产厂加工制造风机需要二维工程图，为了将三维设计模型快速转化为二维工程图，2014年李锐等[33]利用Solidworks和Visual Basic，开发出风机主要零部件的参数化造型与制图软件，实现了风机参数化三维造型与二维工程图纸绘制相结合的风机CAD 系统，提高了风机的设计与生产效率。

有了现代设计方法和整机的数值模拟技术，如果设计满足要求，就可以试制样机并进行测试。全尺寸样机试验是准确了解风机气动特性、绘制载荷分布的最好方法，并可以对各种计算方法的准确性进行验证[34]。随着能源、化工和矿业等行业生产设备工作负荷的不断增大,与其相配套的风机的容量也随之增大。风机的大型化与叶轮结构的复杂化，大大增加了试验样机的制造难度和制造成本。随着激光增材制造技术的发展和相似原理的逐渐成熟，科研人员将这些技术应用到大型风机的设计制造中，不仅可以制造出复杂结构的叶轮，还降低了风机样机的制造成本。下面分别介绍这两种技术在风机设计制造中的应用。

2.1 激光增材制造技术在离心风机中的应用进展

增材制造技术(AM)是基于微积分的思想，通过计算机辅助设计(CAD)的设计数据将材料逐层累加起来制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术是一种(自下而上)材料累加的制造方法。增材制造技术不同于传统的加工过程，它是基于材料的增量制造(MIM)[35]。

工程人员对离心风机的高性能要求，造成叶轮结构的复杂程度越来越高，给传统的制造工艺带来了很大难度，金属零件的增材制造技术日益成熟并获得了风机领域的广泛关注。2015年在中国国际风机会议上，陈忠和等[36]详细论述了增材制造技术在风机叶轮上应用的可行性，认为高能增材制造技术应用于风机叶轮制造的时机已经成熟。2016年8月，隶属于美国能源部的先进制造办公室(AMO)[37]，用3D打印技术制造了13米长的风力涡轮叶片模具，大大降低了风力涡轮机的开发成本。

目前，增材制造技术已经在航空领域得到了广泛的应用。GE公司预计未来可在航空发动机各部位应用金属直接增材制造零部件[38]，航空发动机可应用的金属直接增材制造零部件的示意图如图3。增材制造技术可以制造出复杂的航空发动机叶轮，充分说明增材制造技术在风机叶轮上应用的可行性。

图3 金属直接增材制造零部件示意图

2.2 相似原理在离心风机中的应用进展

相似原理具有两大分支：量纲分析法和方程分析法[39]。量纲分析法可以帮助人们对复杂的物理现象进行定性分析，即使无法建立微分方程式，但只要知道这些现象包含的物理量，就能求出它们的相似准则，从而提供找出现象规律性的可能性，它的理论核心就是Buckkingham的π定理[40]。方程分析法是利用描述现象的基本微分方程组和全部单值性条件来导出相似准则的，其主要内容是相似三定理[41]。相似理论己被广泛地应用在许多生产领域和科学研究领域，如航空航天[42-43]、船舶与水下航行器[44]、机械[45]、材料、管道输送等，它在解决生产和科研问题中起到了重要的作用。

风机的相似律是根据相似原理导出的，在风机的研制选用和运行调节等方面有着重要意义。首先，研制新的风机尤其是大型机，可以运用相似原理在较小的模型机上进行试验，然后再将试验结果推广到实型机器。其次，可以建立同一系列几何相似的风机之间性能参数之间的关系。最后，根据风机在相似工况点之间性能参数的关系，可以用于风机的运行调节[46]。目前由于风力机风洞试验条件的限制，使相似原理在风力机方面得到了广泛的应用，众多学者在此领域进行了研究。2008年陈荣盛等[47]基于流体机械流动相似原理，提出了风力机械的相似准则。2015年李仁年[48]等以风力机的相似准则为基础，对33 kW的风力机进行了研究，运用雷诺模型法和运动相似关系建立缩比模型，结果表明缩比模型的表面流动情况与原型相似，力特性参数换算结果的相对误差均在2%以内。

应用相似原理在研发大型风机时，可以应用小型风机的关键技术，然后在此基础上进行设计而不需要从零开始，这样可以节省风机的研发成本。我国科学家钱学森曾指出，相似理论“能使气体动力学问题得到大大地简化，可以节省许多时间和精力”，但是“这样的收获自然不可能不付出代价，那就是得牺牲一些普遍性。必须对流体的属性加上某些限制，否则这样有力的相似律是得不出来的。”[49]

3 结论

离心风机经历了100余年的研究，在结构优化和设计方法等方面取得了巨大的进展。本领域学术水平的不断提高，大量的研究成果为离心风机行业产品整体性能提升和产品更新换代提供了技术支持和保障。在国际上离心风机研发技术和性能水平取得明显进步的同时，国内的风机企业尤其是中小微风机生产企业还处于粗放式生产模式，存在着制造工艺水平不高、制造自动化水平较低、企业缺乏自主创新和基础理论研究的意识薄弱与能力低下等问题。要彻底改变这种状态，企业除了避免急功近利，走可持续发展的企业之路外，政府的市场导向和政策的扶持也是非常必要的手段。在技术上走产学研合作的道路，增强企业的创新能力，使企业逐渐成为风机的技术研发主体。目前，国内风机每年消耗总发电量的6%左右，研究提高风机整体性能的方法，对节约能源具有重大的意义。本文从市场需求的角度对离心风机优化设计技术进行了展望，主要实现以下愿景。

(1)提高风机的优化设计方法，节约风机的开发成本。在研发阶段将风机相似原理与数值计算的方法相结合，彼此进行验证，降低风机样机制造的风险与制造成本。

(2)提高风机的制造技术和风机产品质量,增强我过风机产品的国际市场竞争力。随着设计方法的改进，叶轮结构越来越复杂。加大激光增材制造技术在风机上应用的研发力度，发挥其优越性，与传统的机械加工相结合，促进我国风机的进步与发展。

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(责任编辑：陈素清 英文审校：唐亮)

Review on centrifugal fan and its configuration

WANG Xiao-yan1,ZHANG Shao-guang1,LEI Hu-yu2

(1.Mechanical and electrical engineering School,Shenyang Aerospace University,Shenyang110136,China;2.Shenyang Synart Machinery Manufacturing Co.Ltd,Shenyang110200,China)

Industrial fans can be commonly classified as three types based on the air flow direction into the blade,including axial flow type,centrifugal type and mixed flow type,and centrifugal type fan is the most popular one.The performance improvement of centrifugal type fan is significant for energy saving.In our paper,we mainly review the literatures on centrifugal type fan,and its three main components:impeller,volute and current collector are introduced.We also analyze the performance influences of each component and clarify the effect of different optimization methods.Additionally,the applications of laser additive manufacturing technology and similar principle are described in the design and manufacture.Finally,we try to predict the future of centrifugal type fan optimal design technology from the perspective of market demand.

centrifugal type fan;additive manufacturing；similar principle；research progress

2016-11-10

王晓燕(1975-)，女，辽宁沈阳人，副教授，主要研究方向：机械可靠性工程及优化设计，E-mail:wlfn2005@163.com。

2095-1248(2017)03-0056-07

TH442

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.008