高效外转子无蜗壳离心风机

高效外转子无蜗壳离心风机

秦传传

东营市齐鲁物贸有限公司 山东东营 257000

摘要：随着时代发展，我国的科学水平不断进步。目前很多用于细胞培养的洁净孵房大多利用蒸汽作为热源，采用净化机组+高效送风口的方式循环，风机采用内置式皮带传动离心风机，在实际运行中容易出现洁净孵房温度不均匀和生产不能连续进行的情况利用高分子均流膜和无蜗壳风机可以比较理想的洁净这一问题。

关键词：高效；外转子；无蜗壳；离心风机

引言

无蜗壳风机相比于传统离心风机，其气动技术条件并不成熟。无蜗壳风机存在以下的缺点：首先，因无蜗壳结构，其周向速度不能被有效利用，导致周向的动能不能转化为静压，从而增加了叶轮的损失。其次，无蜗壳离心风机通常前盘与后盘均垂直于转动轴，无圆弧过渡结构，当流量增大时造成叶轮冲击、突然扩压损失增大。最后，还无法通过改变蜗壳结构来降低风机运转时产生的较大的气动噪声。

1无蜗壳离心风机介绍

风机作为常用的机械设备，广泛应用于国民经济的各个领域，例如:电厂锅炉、建筑物通风、空调系统等，也是社会生活中耗能量大的流体机械之一，根据1998年全国工业普查统计资料显示:我国的风机装机总功率已达到0.49亿kW，但设备平均效率仅为75%，比国外产品低10%，系统实际运行效率更低，仅为30～40%，节约潜力巨大。无蜗壳风机在国外运用得较多，有比较成熟的经验。随着国外技术的引进，国内部分工程项目中的空调机组尝试采用了这种新形式风机，取代传统的蜗壳式离心通风机。无蜗壳离心风机(Unhoused/Plug/PlenumFan)，常用于组合式空调机组与四面出风卡式风机盘管机组，由集流器、离心叶轮、电动机和电机支撑架组成，比常规蜗壳式离心风机相比少了蜗壳，国外无蜗壳离心风机产品如图1所示。无蜗壳风机的特殊构造使之与传统蜗壳式风机相比具有如下优势。(1)无“喘振”现象。在特性曲线左侧没有轴流风机所具有的马鞍形工作区，所以在小流量区域工作时不会出现“喘振”现象。

图1无蜗壳离心风机

(2)效率高。电机采用直联形式，传动效率高;在风机出口动压占全压比例小，静压效率高，可获得好的气流条件，风机出口不需设置均流装置。(3)静音优势。没有蜗舌，避免叶轮与蜗舌相互作用带来的噪声。(4)体积优势。相同规格和额定风量下，在额定风量大的区域，平均外形尺寸要小10%左右，平均体积小26%，从而节约大量的安装空间，有利于空调机组的小型化、集约化。(5)出口方向任意。没有蜗壳安装更为灵活，内置在空调设备中，可将空调设备的外壳视为风机的外壳，系统的入口和出口即为风机的入口和出口，出风方向可以灵活布置，满足各种空调机组的需求。在空间受到限制的地方及风机改造项目中，相比传统风机优势更为明显。图2～3为此种风机两种送风形式。(6)没有蜗壳、皮带和皮带轮。避免了皮带磨损、皮带的紧固及更换维护工作，可省去出口末级过滤器，同时避免蜗壳积存污染物，更加干净卫生。

图2两种风机实际运用

2数值方法及边界条件

在数值计算中，对目标流域采用三维定常模拟，流体介质为25℃的空气。由于当风机正常运行时，空气流速低于0.3马赫，可忽略空气的压缩性以及传热性。在壁面边界条件的设置中，壁面设置采用无滑移边界条件。将质量流量设为进口边界条件，在实验过程中存在辅助风机克服管道阻力，因此在进口边界条件的设置中降低边界损失。将静压作为出口边界条件，在实验过程中，其后向无蜗壳离心风机直接连通大气，默认其表压为0，设置操作环境为1atm。在本模型中采用有限体积法对控制方程与湍流方程在空间上进行离散，采用二阶迎风格式进行计算。设置进口处增加监测点，监测风机的进口静压，监测数据能够直接与实验数据作对比，以验证数值模拟结果的准确性。当监测点静压数值稳定时，同时计算残差值低于设定的目标残差值，并且进出口压力差值达到稳定时，判断计算结果收敛。将计算结果导入到CFD-POST软件中进行结果的处理与分析。

3带有分流叶片的无蜗壳风机出口速度分析

从图3(a)和图3(b)中可以看出，在中小流量系数下，分流叶片结构对风机全工况的出口轴向速度分布均匀性都有明显的提升，速度的波动程度明显降低。在低流量系数下，如图3(a)，三种分流叶片均改善了因气体分离涡导致的轴向速度增大的状况。在额定流量系数下，如图3(b)，分流叶片结构降低了轴向速度的平均值，对于二次流等复杂流动起到了改善作用。而从图3(c)中观察到0.25和0.5长度系数的分流叶片也改善了气体轴向流动回流的状况，但0.375长度系数的分流叶片结构却增大了回流。说明在大流量系数下，分流叶片的长度对于二次流等复杂流动有着明显的不确定性。综合来看，长度系数0.25与0.5型的分流叶片对轴向速度有着明显的改善作用。

图3不同流量系数下带有分流叶片风机模型与原始模型出口轴向速度对比

无蜗壳风机不能有效利用出口处的周向速度，所以出口周向速度是本文研究的重点，如图4所示。从全流量工况的角度来看，分流叶片结构能够降低出口处的周向速度，减少其动能损失。在低流量系数下，如图4(a)，明显改善了出口的周向速度，使得气流更加均匀，削弱了分离涡对于出口周向速度的影响。对额定工况和大流量工况下，分流叶片结构同样降低了出口的周向速度，但降低程度相比低流量系数时并不是十分明显。说明分流叶片结构改善二次流等复杂流动对出口周向速度的影响效果有限。

图4不同流量系数下带有分流叶片风机模型与原始模型出口周向速度对比

径向速度为无蜗壳风机的主出口气流，从前面的分析中发现，分流叶片对轴向和周向速度都有明显的改善作用。在图5中，对出口径向速度进行了分析。在图5(a)中，带有分流叶片结构的风机其径向流动速度更为均匀，并且消除了因叶片吸力面分离涡而引起的径向回流现象。在额定流量工况下，如图5(b)，分流叶片削弱了出口径向速度的波动，并且对径向速度有着一定的提升作用，还改善了因二次流等复杂流动造成的径向速度降低的现象。在大流量系数下，如图5(c)，带有分流叶片结构的无蜗壳风机其径向出口速度变化趋势与原始风机相同，但大小有略微的提升。说明当流量增大时，二次流等复杂流动对主气流影响更加明显，而分流叶片仅能在一定程上削弱二次流等复杂流动对主气流的影响。

图5不同流量系数下带有分流叶片风机模型与原始模型出口径向速度对比

结语

无蜗壳风机作为一种新形式的风机，具有结构简单、静压效率高、体积小、出口方向任意等特点，在空调领域已得到国内外的密切关注。由于无蜗壳风机影响因素复杂，尚有很多工作需要进一步展开。(1)制定相关标准和规范。这种新形式的风机在叶轮设计、支架设计等方面有待完善，需通过大量的研究得到相关的经验公式和设计思路，以指导产品的设计和运用。(2)优化结构。风机性能主要由风机内部流场的流动状态决定，因此采用先进的实验测试技术研究风机内部流场，进一步优化无蜗壳风机的结构，如:轴向送风时，风机叶片形式的改进，更好的匹配空调机组的实际运行需求。

参考文献

[1]国家经贸委资源节约综合利用司．关于风机、水泵节能改造工作的主要思路［J］．电子节能，1998，(3):5－6．

[2]廖明仕,卢隼.无蜗壳离心通风机特性及其在空调领域的应用[J].四川建材,2013,39(2):261-263.

[3]李建森,朱与伦,王磊.无蜗壳风机分析与优化设计[J].现代商贸工业,2017(16):165-166.