摘  要: 对于可逆地铁风机的气动设计，给出了常规的直叶片和弯掠组合叶片 2 种设计方案。采用 FLUENT 软件分别对 2 种设计方案进行了数值模拟分析计算。同时制造 2 种设计方案的样机各一台，进行了风机性能测试。通过数值模拟结果与试验结果的对比分析，比较了 2 种设计方案的先进性。

关键词: 地铁风机; 可逆; 气动设计

 

      通风和环境控制是地铁工程中的两大重要系统，系统中需要大量的通风设备。地铁环控系统的风机一般为大型轴流风机，有的环控系统还对风机提出可逆通风要求，要求风机可以实现正反向通风。可逆风机和一般单向轴流风机的空气动力设计有较大变化，一是尽量选用反风性能好的翼型，二是进行气动设计方法优化。

      本文针对地铁环控系统对可逆地铁风机的要求，给出 2 个方案的风机叶型设计结果，为了对 2种设计方案进行评价，采用同一 CFD 软件，对风机进行数值模拟分析，三元流场分析。对 2 个设计方案又制造了 2 台样机，进行试验测试。通过数值模拟和实测验证风机空气动力设计、总体结构设计和风机流道设计的准确性和合理性。

 

      可逆风机设计参数为: 叶轮直径: 1． 8m，转速: 985r/min，风量: 60m3/ s，全压: 1000Pa。可逆性能要求: 反向运转风量与正向运转风量之比不低于 95%。

 

      风机叶轮叶片叶型设计分别采用孤立翼型法加叶栅法修正和叶栅法^［1］。风机级的形式为单级叶轮级“R”级，第 1 台样机采用常规直叶片叶型，第 2 台样机采用前弯前掠组合叶型。

      设计方法: 孤立翼型法加叶栅修正。叶型: 常规直叶片全对称叶型，翼面为圆弧面。流型: 采用变环量流型，△Cn = a/r + b + cr。计算结果: 叶片数: 12 片; 轮毂直径: 810mm; 轮毂比: 0． 45。叶片外形如图 1 所示。

      设计方法: 叶栅法。叶型: 弯掠组合叶型，叶面为光滑曲面。计算结果: 叶片数: 12 片; 轮毂直径: 756mm; 轮毂比: 0． 42。弯掠组合翼型叶片外形如图 2 所示。

 

      与相应的试验研究比，数值模拟计算有很大的优点: 如耗费少、速度快、结果详尽完整等。因此，采用计算机数值模拟的方法来分析优化复杂的问题是十分必要而有利的。本课题采用的是分离解法器; solver 采用默认值，相应设定条件如表1 所示。

      本次模拟采用的湍流模型是标准 k-ε 模型，边界条件设置为两段即叶轮段与支撑段，叶轮段与Adjacent Cell Zone 相对静止，转速 985r / min，进口流量61m³/ s，出口压力为 1 个大气压，其余边界均静止。采用有限容积法，问题是三维稳态的不可压缩性粘性流体的湍流流动。风机的进、出口气流方向均为轴向，风机包含旋转的动边界和静止不动的静边界，因此将整个计算域划分成定子和转子 2 个子区域，旋转叶轮和静止风道之间的耦合分别采用了多参照系模型和混合平面模型。网格采用四面体网格^{［2 ～7］}。风机具体模型及网格布置如 3 ～6 所示。常规直叶片风机和弯掠组合叶片风机叶轮全压如图7、8 所示，常规直叶片风机和弯掠组合叶片风机迭代收敛曲线如图 9、10 所示，图中的 6 条曲线分别为连续性方程、N-S 方程( X/Y/Z) 、湍动能k 方程、耗散能 ε 方程随迭代次数增加其残差值的变化。正转61m³/ s 静压分布如图 11、12 所示。

      弯掠组合叶片风机部分数据见表 2。

      常规直叶片风机部分数据见表 3。

 

      弯掠组合叶片正向测试性能曲线如图 13 所示。设计点实测性能为: 流量: 226277m³/ h，压力: 1003Pa，效率: 81． 12%。

      弯掠组合叶片反向测试性能曲线如图 14所示。设计点实测性能为: 流量: 223045m³/ h，压力: 1018Pa，效率: 81． 21%。

      直叶片正向测试性能曲线如图 15 所示。设计点实测性能为: 流 量: 216927m³/ h，压 力:1028Pa，效率: 78． 23% 。

      直叶片反向测试性能曲线如图 16 所示。设计点实测性能为: 流量: 215768m³/ h，压 力:1026Pa，效率: 76．05% 。

      本次风机正向运转性能模拟的数据表明: 弯掠组合叶片在设计点的效率比常规直叶片的效率高。反向运转性能模拟的数据表明: 弯掠组合叶片在设计流量点对应的压力比常规直叶片的压力稍低。两种叶片风机正向运转性能的测试值与模拟计算的结果趋势一致，弯掠组合叶片的风机具有较高的全压效率。两种叶片风机反向运转性能，常规直叶片风机的测试值与模拟计算的结果一致，弯掠组合叶片风机的测试值与模拟计算在设计流量时对应压力和效率比直叶片的偏差稍大。常规直叶片和弯掠组合叶片地铁轴流风机性能满足地铁环控要求，具有较高的全压效率。弯掠组合叶片地铁轴流风机性能优于常规直叶片的性能。弯掠组合叶片的最大特点是噪声低，在本次模拟中没有体现，需另立课题进行研究。

 

［1］ 商景泰． 通风机手册［M］． 北京: 机械工业出版社，1994．

［2］ 王建平． 计算流体动力学( CFD) 及其在工程中的应用［J］． 机电设备，1994，( 5) : 39-42．

［3］ Fluent Online Help，Fluent Co． Ltd，USA，1999: 316-369．

［4］ 刘原林，董亮，王勇，等． 流体机械 CFD 中的网格生成方法进展［J］． 流体机械，2010，38( 4) : 32-37，22．

［5］ 朱冬生，郭新超，刘庆亮． 扭曲管管内传热及流动特性数值模拟［J］． 流体机械，2012，40( 2) : 63-67．

［6］ 褚双磊，俞国胜，秦瑞鸿，等． CFD 仿真在轴流式灭火风机流场优化设计中的应用［J］． 流体机械，2010，38( 10) : 33-38．

［7］ 陶文铨． 计算传热学的近代进展［M］． 北京: 科学出版社，2001．