叶片磨短对低压冷却风扇气动性能的影响

　　空调、汽车及各类电子设备的冷却风扇通常是由单个轴流叶轮和围绕叶轮的机壳组成的。为便于叶轮安装及安全运转,在叶轮与机壳之间需留有一定大小的间隙,间隙宽度与叶轮直径之比称为“叶顶间隙率”[1]。叶顶间隙率的大小对风扇气动性能影响显著。已有的实验与数值研究工作表明[2 6]:叶顶间隙率的增大会导致风扇气动性能的下降和气动噪声的增强,为了改善风扇性能,应当使叶顶间隙率尽可能小。但是受加工工艺和生产成本的限制,实际的低压冷却风扇叶顶间隙率一般都在1%～3%左右。实现这个间隙率的途径有两条,一是保持叶轮直径不变,增加机壳直径;二是保持机壳直径不变而磨短叶片。由于后者更容易实现,因此工程中大多采用此方法。以往研究均针对机壳增大的情况,研究发现间隙率增大时,风扇效率有明显下降,但流量变化并不显著[2,5]。而叶片磨短对风扇气动性能带来的影响则无研究报道。

　　本文从实验和数值计算两方面研究了叶片磨短对低压冷却风扇气动性能造成的影响。在数值模拟结果的基础上,对风扇内流场进行了仔细分析,讨论了叶片磨短后叶顶间隙涡的发展情况、通道内流量的分布和叶片表面做功变化的特点;同时还对比了相同间隙率下,采用机壳增大和采用叶片磨短两种方法影响风扇气动性能的程度。最后指出叶片磨短更容易导致风扇气动性能的恶化,并指出了引起恶化的主要原因。

　　1　气动性能对比实验

　　风机的气动性能实验参照ISO 5801:1997的出气风室实验标准。实验样机的基本参数如表1所示,下标1和2分别表示磨短叶片前后。

　　风机的总体气动性能,包括流量、压头、轴功、效率均采用量纲1参数进行描述,定义如下。

　　流量系数为

　　静压系数为

　　轴功系数为

　　风扇效率为

　　其中,ρ为空气密度,Ps为风室内静压,Qv为体积流量,W为叶轮轴功,Ut1为Fan1叶尖圆周速度,由下式计算:

　　2　数值模拟

　　2.1　计算方法

　　为了深入研究叶片磨短后风扇内流场的变化,采用商用CFD软件Fluent 6.0对风扇内流场进行三维定常数值模拟。根据流动的轴对称特点,取单个叶片通道作为计算域。为了模拟实验条件,在通道进口添加直径为5Dt1半球域,球面给定自由大气压力边界;在叶片通道出口处添加直径为5Dt1,长度为10Dt1的柱形域模拟出气风室,出口根据径平衡条件给定静压。通道两侧给定旋转周期边界,所有固壁面均给定无滑移条件。数值模拟采用“多重坐标系”模型耦合动静部件的计算域,即叶轮区域采用固结其上的旋转坐标系,而其他区域采用绝对静止坐标系,分别进行定常计算,在交界面处则利用相对速度方程进行转化。