概要
市场对经过效率优化的高效工业离心风机的需求日益增长。效率的提升不仅能降低能耗与运营成本，还能减少环境污染，许多国家因此也都制定了强制性的能效指导方针。经过多年深入的研发，Venti Oelde 最近推出 M系列 全新一代高效风机。
M系列的核心在于创新的叶轮和叶片设计，这种叶片基于计算机建模开发，可使风机的全压效率超过 90%。通过计算机建模，可对任意叶片叶型进行设计方案计算验证。相较传统方法，该方式可极大地拓展叶轮设计的自由度。由于衍生形状的叶片数量庞大，新叶轮在完成初步设计后，均需通过CFD进行模拟验证。
优化后的叶轮外部尺寸保持不变，无需更换机壳、轴和轴承，仅更换叶轮将使得总效率得到提升，降低 3 - 5% 的能耗。除了能提升风机运行效率，Venti Oelde 的新叶轮还能显著降低噪音，伴随湍流大幅减少，运行更平稳。叶轮内部湍流会引起振动，从而降低风机的使用寿命。因此，除了提升效率外，这些改进也延长了叶轮的使用寿命。同样重要的是，由于大幅减少湍流，在气流含有粉尘的工艺中，可显著减少叶片结皮，延长维护周期，减少清理结皮的工作量。
目前，Venti Oelde 的所有风机系列都在更新中，以纳入新型叶轮。现阶段，已有多个系列完成优化并准备投入应用。
用户对大型离心风机提出了更高效率要求，以达到降低能耗的目的，且这一市场需求在持续增长。为了减轻对环境影响，特别是为了降低运营成本，我们目前正采用计算机辅助开发和优化设计——就在不久前，这些设计优化在大型风机制造中还被认为过于复杂和昂贵。凭借全面的基础研究，Venti Oelde 成功将大型离心风机设计优化付诸实践，现隆重向用户推出性能显著提升的M系列叶轮。
对于叶轮直径可达5米、功耗通常处于兆瓦级别的大型风机而言，效率的提升（意味着功耗的降低）尤为显著。降低功耗有助于保护环境。可以预见，未来全球范围内的法律法规将进一步收紧。此外，为了应对不断上涨的能源成本，必须降低运营成本。同时，在高含尘气流（例如水泥厂环境）中的表现也是设计新 M系列叶轮时的一个重要考量应用场景。经过谨慎评估，Venti Oelde 的用户可以仅更换现有风机中的叶轮，而保留所有其他原装部件，如机壳、轴、进风口箱和轴承等。
为了充分挖掘叶轮的性能潜力，Venti Oelde 基于当今前沿技术，开发了用于叶轮叶片全计算机辅助建模的先进设计工具。计算机建模的叶轮叶片使得工程师能够提前、详细地计算任意的叶片形状。特别是能够自由选择叶片轮廓（即沿叶片任意点的曲率），为开发人员提供了比传统设计优化更多自由度。以前，叶片轮廓被设定为直线、圆弧或对数函数，其设计框架的工艺灵活性远低于目前技术。
由于无法提前明确规格，我们采用了迭代工艺：在初步设计完成后，借助计算流体动力学对叶轮进行模拟。由此获得的结果既可以以数值呈现（如压力增量或效率），也可以图形化的方式可视化展示流体运动效果（如流线、矢量或压力梯度）。通过对比结果并在优化案例中与实际状态进行比对，可以获得有效数据。叶轮配置的主要目标是开发一款气体通过时湍流最小、对叶轮前缘冲击较低且出口气流均匀的叶轮。除了提升效率降低功耗外，这还有助于尽可能减少含尘气流中不可避免导致的结皮，提高运行平稳性。
如今，流体模拟已经可以对含尘气流进行建模。通过含尘流体模拟与实际运行含尘气体的叶轮进行比较，Venti Oelde 能够定位容易发生沉积的区域并进行针对性优化。多数沉积物容易出现在由于流动控制不佳导致强湍流、压力和速度下降的区域。强湍流会在叶轮内诱发局部回流；事实证明，这些区域受沉积物影响最大。在叶轮开发过程中，应实现尽可能低的湍流以及无沉积的流动，特别是在叶片后方（即所谓的叶背）等关键区域。M系列的创新设计提供了比以往工艺更广泛的选项。
一旦达到关于压升、效率和流动状态的相关条件且无法进一步改进，优化即被视为完成。
按照当前的生产技术水平，由此诞生的叶片形状在所有可用的大型离心风机叶片形状中，接近于在流动和运行方面更为有利的理想形状。在使用新型M系列叶轮叶片的情况下，即使是常见的、具有线性前缘的曲线叶片这种经济型设计，也有可能实现超过90%的风机全压效率！
Venti Oelde 的风机产品线目前正在进行全面修订，这一过程即将完成。目前，已有多个系列完成了优化。在我们的研究中，除了叶轮外，还同步对蜗壳进行了分析。结果表明，现有的 Venti Oelde 蜗壳是基于与知名大学研究机构合作的大量实测数据设计的，已没有显著的改进空间。
由于优化后叶轮的外部尺寸保持不变，更换叶轮时可以保留机壳、轴和轴承，从而实现显著更高的全压效率，并带来 3 - 5% 的节能效果。
这一点可以通过HRV 63M 系列清楚地证明。该系列常作为水泥磨风机使用，处理风量高达 1,700,000 立方/小时。HRV 63M 是较早一批完成优化的型号之一，自2021年年中开始上市。与旧型号HRV 63S相比，使用优化后叶轮可使总效率提升4%。在功耗为4,300千瓦的情况下，这意味着功耗降低约170千瓦。
叶轮叶片的重新设计显著减少了流经叶轮的流体湍流。模拟流线和矢量形态证明了这一点。理想情况下，相对速度分量应平行于叶片流动，而不引起流动分离。流动分离会部分阻塞流道，导致流速峰值损失以及对蜗壳的不均匀冲击。此外，分离会增加含尘气流中的沉积物。因此，重新设计的目标是创造一个低湍流的叶轮，既能提高效率，又能减少沉积物和磨蚀磨损问题。在所有设计方法中，计算机建模叶片更适合达成这一目标。优化叶轮的流线和矢量图（图1和图2）令人清晰地说明了这一点。叶轮流道内没有流动分离。流动与叶片轮廓一致，叶轮出口气流几乎完全均匀。图2矢量图中位于叶片后缘正后方的速度下降在技术上是不可避免的，业内称之为尾涡。
图1: Flow line representation 图 2: Vector representation
鉴于流体仿真极为耗时，且 Venti Oelde 现有的蜗壳已是相当优异的设计，因此研究初期仅针对包含单个叶片的一个叶轮扇区进行。待叶轮优化完成后，再将新叶轮置于蜗壳中进行仿真（图 3），以评估叶轮与蜗壳之间的相互作用。若不出意外，无法更进一步优化系统，则视为开发完成。随后，原型叶轮即可进入制造阶段，并在测试台架上开展测试。
图 3: Flow line representation in the impeller casing assembly
叶轮需在试验台架上完成所有实际工况相关配置的测试后，方可进行标准化定型。测试涵盖悬臂式（单侧轴承布置）、双支承式（叶轮位于两轴承之间）以及带进气箱或不带进气箱等多种配置。定型后，即可按需求设计制造外径可达到5米的所有规格风机。
HRV 71M-1600/K是首批搭载全新全计算机建模叶片的风机之一，已在 Venti Oelde 的大型试验台架上完成测试（图 4 和图 5）。该风机在理想工况点(best point)的实测全压效率达到90%，已非常接近大流量多工况大型风机的理论极限。依据现有技术水平，若还要显著提升，唯有采用结构极其复杂的叶轮设计（例如引入空间扭曲叶片的 3D 叶轮并延伸至叶轮进气口段），但这将导致成本大幅增加。此外，空间扭曲叶片还可能引发其他问题，例如在低负荷工况下，由于其对湍流更为敏感，运行可能不稳定。
鉴于此及其他影响因素，新系列叶轮的开发着重强调了设计的简洁性。得益于由此实现的高结构强度与鲁棒性，含尘气流导致叶轮结垢进而引发振动等机械故障的风险可被降至最低。
新叶轮系列标准化所需的台架测试同时证实：采用新工艺设计的叶轮显著降低了噪声排放，且降低湍流导致的振动，运转平稳性得到提升。这不仅提高了效率，也延长了维护周期。
图 4 及 图 5: M-Series fan in large-scale testing facility
首批搭载新型优化叶轮的风机系列已完成标准化定型，其余系列正处于测试阶段。这意味着，Venti Oelde M系列的优化气流升级叶轮现已随时可供风机用户选用。
来源： https://www.venti-oelde.com/infobox/press/news-item/die-m-serie
作者：
Roland Magiera，工程硕士，Venti Oelde德国总部，研发部
Peter Herrmann，工程硕士，Venti Oelde德国总部，风机事业部负责人
翻译：Todd Liu
校对：Joe Chen
