文獻[13]還用數值試驗討論了不考慮葉輪間隙時的葉片進口角β1j從24°～36°（選擇進口沖角為零）進行優化，發現它對風機性能的影響很大，β1j為27°時有最好的性能，如和Eck建議的35.4°相比，前者全壓和效率均要高4.5%，該文獻樣機采用的角度就是27°，如沒有進行整機性能預估，這樣的角度是不敢采用的。
同樣，還討論了不同的葉輪間隙值（δ=0，δ=2mm，δ=2.5mm）對風機性能的影響，對于0.8m的葉輪，廠方認為制作樣機葉輪間隙為2mm或2.5mm 都是可以實現的。雖憑經驗知道葉輪間隙對風機性能影響很大，但一直沒有定量結論。因為考慮間隙的整機網格生成和計算相當有難度，通常CFD工作都是不考慮間隙的，文獻[13]首次實現了考慮葉輪間隙的數值模擬，結果見表3。看到2mm的間隙，比零間隙全壓下降3%，效率下降1.2%，間隙的存在，產生了一個通過間隙的二次流，它改善葉輪進口和蝸殼中的流動，使進風口、葉輪和蝸殼損失分別下降0.25%、0.15%和0.17%，但這個二次流造成1.75%的間隙附加損失，使葉輪全壓下降3.5%。另外，2.5mm間隙比2mm間隙只差0.5mm，全壓幾乎沒有下降，但效率又下降0.6%。所以，此后我們要求廠方對No.8風機，盡量采用葉輪間隙為2mm。
3.2 變工況性能預估
實現變工況性能數值預估應該是標志現代設計方法完善的另一個重要標志。1990年代提出現代設計方法只能預估設計工況性能，因為設計工況效率高，流動很好，旋渦和分離流動很少，這種流場比較容易計算，采用一般的CFD程序、一般的網格生成和最常用的標準k-ε湍流模式就可以實現，但是非設計工況流動不會很好，旋渦和分離流動較多，對數值計算要求高，需要尋找一種能較好的捕捉旋渦和分離流，計算工作量可以承受，又比較公認的湍流模式，Wang和Cheng[14]在數值模擬槽道流動時中指出，采用RNG k-ε湍流模式可以較好地捕捉旋渦和分離流動，增加的計算工作量不多。于是我們改用RNG k-ε湍流模式代替原有的標準k-ε湍流模式，結合產品開發，預估變工況性能和實測性能的比較，通過多人、多次在多個開發產品上實踐，終于成功，計算工作量大約增加50%。變工況性能預估誤差，在90%高效流量區內，效率誤差小于5%，全壓誤差小于8%[15]。
3.3 進一步完善氣動設計工程方法的軟件
現代氣動設計方法中原有的工程設計方法是基礎，采用自編軟件，結合長期的的產品開發實踐，已有不少修改和完善。但隨著現代設計方法完善的需求，現有的工程設計軟件在便于優化設計、便于和CFD軟件接軌、便于輸出樣機氣動設計圖方面又需進一步完善。后兩項是我們的軟件自身開發完善工作，這里只說關于優化設計的問題。離心風機設計參數很多，優化工作一定要重點明確，不能有太多優化參數（否則計算工作量太大），它應是工程設計軟件方便使用，又必須是經實踐考核過，確實是重要的設計參數。我們認為：影響葉輪性能需要優化的有三個參數，1） 進口加速系數，Eck建議1.2，我們以前認為應在0.7～0.8, 實際上已可小至0.6，甚至更低；2） 葉片進口角，Eck推薦優化流動角是35.4°，再加3°攻角，進口幾何角應為38°，但實際上很多情況是小一點好，現在我們已可小到27°；3） 葉輪進出口寬度比，它和葉輪全壓系數有關，不能簡單給個范圍；蝸殼的優化參數主要是螺旋角和葉輪出口和蝸殼寬度比，前者不能超過7°～7.5°，后者不能小于0.35左右。至于進風口設計的優化參數，過去氣動設計進風口是不管的，實際上進風口出口型線也很重要，因為它影響進風口出口，也就是葉輪進口流動，如果有較大的分離流，進入葉輪的流動肯定不好，顯然影響風機效率和噪聲，所以在工程設計中也要注意，這里有兩個優化參數，進風口出口段圓弧半徑和出口錐角，前者影響到流動的離心力，后者影響流動擴壓強度，需要滿足以前我們給出過的兩個進風口設計準則。
有了上述三方面的工作，離心風機現代設計方法更加完善，不僅可以在設計階段預估風機的變工況性能，還可以用不同的優化參數來改善這種性能，在此基礎上，又提出了變型設計新方法和給定限制條件下的性能優化設計等（如只改葉輪或不改蝸殼或保持前盤圓弧和進風口圓弧不變或只改葉片或采用廠方要求的部件或部件的某些型線等）。這一時期，我們發表了除文獻[13]外的有關文獻有[15-21]。開發的高性能離心風機具有代表性的有：
1） 和沈陽鼓風機研究所合作開發了6-35，5-55，6-24，7-28和4-73（板型葉片）五個系列。
2） 6-44，7-22，7-27a，7-27b，7-45，7-18和5-49 七個系列。
3） 為美國 GE 公司開發家用空調風機替代產品及能源部中央空調示范系統開發高效離心風機，氣動設計都有嚴格限制條件，前者效率提高28%，噪聲降低5dB（A），后者靜壓效率為69%，在美國斯坦福大學風機實驗室與其它風機公司的產品對比實驗結果表明，我們研制的風機性能是最好的。
4 離心風機氣動設計的現代方法的發展（2010～2011）——針對新問題，產生新思想
隨著離心風機氣動現代設計方法的日益完善，在不斷用于開發高性能風機的過程中，特別在與一線生產和管理的技術人員交流中，不斷出現新問題，在解決過程中，就會有很多新思想、新認識和新方法，不斷推動著現代設計方法發展。
4.1 選擇流量氣動設計方法
離心風機氣動設計通常都按用戶提出的設計流量進行設計，并認為這是最佳工況，其效率最高，但變工況性能預估與實測數據發現，很多風機最佳工況點偏離氣動設計的設計流量，其偏離方向和大小與比轉速有關，比轉速小于或等于27的風機（這里稱它們為小比轉速風機）的最佳工況流量大于原設計工況[19，21]，例如7-09的預估和試驗的最大效率點流量比設計流量大40%；7-18a分別大31%和30%；7-22分別大9.5%和7.1%；7-27分別大4.2%和5.6%；而且比轉速越小，這種偏離越大[22]；中比轉速風機的最佳工況與原設計工況基本接近[22]；比轉速大于55的風機（這里稱為大比轉速風機）最佳工況流量小于原設計工況，例如5-55的預估和試驗的最大效率點的流量分別小12%和10%； 4-73的預估和試驗的分別小7%和10%；其預估和實測的最大效率點流量均小于設計流量；而且總的趨勢也是比轉速越大，偏離越大[22]。針對這種情況,我們提出選擇流量的氣動設計方法，其核心思想是工程設計時，合適的選擇不同用戶提出的設計流量和全壓進行氣動設計，再利用數值預估風機性能技術，優化用戶設計工況性能為主，兼顧變工況性能，盡量在使用戶設計工況性能接近或達到最佳的同時，又兼顧良好的變工況性能。
采用選擇流量設計需要注意：1）優化性能的目標仍然是用戶設計流量的性能，同時適當兼顧變工況性能；2）選擇設計流量和用戶設計流量的比值，是不斷優化選擇流量進行氣動設計，性能預估中自然得到的結果；3）選擇設計流量設計得到的進風口和蝸殼，基本上是不適合用戶設計流量時需要的進風口和蝸殼，應在優化進風口和蝸殼有關結構參數時改善。
近來我們已對多個小比轉速和大比轉速風機采用選擇流量設計方法進行設計獲得成功，詳細情況可參看文獻[21-23]。
4.2 對后向離心風機錐前盤的新認識
離心葉輪氣動設計時，葉輪前盤形狀選擇是很重要的。由于葉輪進口氣流是由軸向轉為徑向流動，又不斷擴壓，如設計不當，很易導致葉輪內流動分離。1970年代以來一直認為弧前盤比錐前盤好，因為前者有一段較長圓弧可使進口及其以后的流動緩慢、光滑過渡[1-2]，而且國內外很多高性能離心風機都是這樣采用的。隨著葉輪越做越大，弧前盤加工困難和成本也比錐前盤越來越大，前者還常常需要使用昂貴的旋壓機，實際上有些特大葉輪根本無法加工這個大圓弧，只能用錐前盤。近來看到有些錐前盤后向離心風機同樣能有85%以上的整機全壓效率，不得不讓人信服，需要改變看法。好在現在有了整機湍流流動數值模擬和性能優化和預估的計算技術，有條件來重新認識錐前盤的流動性能。為此，我們對三個高性能的弧前盤5-55、5-49和7-22№.8風機，將弧前盤改成相仿的錐前盤，其它葉輪尺寸不變（由于前盤型線變化，葉片型線也需按等當量擴張角重新設計），分別進行弧前盤和相仿的錐前盤風機整機性能數值預估對比，結果表明二者幾乎都有相仿的高性能，設計工況點附近效率達86%～87%,全壓均大于設計壓力，二者性能曲線也很接近，全壓和效率相差在1%附近，5-55風機錐前盤性能稍好些，5-49風機則弧前盤稍好些，7-22風機是小流量錐前盤稍好些，大流量弧前盤稍好些。鑒此，我們認為：由于錐前盤加工方便，成本低，設計時應優先考慮，不能再簡單地認為其性能一定不如弧前盤，這就是我們對后向離心風機采用錐前盤的新認識，詳情可見《對后向離心風機錐前盤的新認識》[24]，按此認識，已為多個公司設計錐前盤甚至是直前盤（前、后盤平行）風機樣機。
4.3 對后向離心風機圓弧葉片的新認識
圓弧葉片加工簡單，成本低，以前應用廣泛。1973年Eck提出等減速葉片流型[1]和1980年朱之墀等提出等當量擴張角葉片流型[2]后，普遍認為這兩種葉片性能比圓弧葉片性能好，于是后者在后向離心風機中就變得很少使用。近來發現有些后向離心風機使用圓弧葉片有85%以上的整機全壓效率，為此，我們對幾個不同型號的高性能后向離心風機，采用圓弧葉片和現在常用的等當量擴張角流型葉片進行整機變工況性能數值預估對比，重新審視圓弧葉片的性能，看對它能否有些新的認識。
對于4個弧前盤高性能5-44，7-22，6-44及7-35№.8風機，其中5-44風機是圓弧葉片，其余為等當量擴張角葉片，對每一個風機只將葉片改為相仿的等當量擴張角葉片（5-44）或相仿的圓弧葉片(7-22,6-44,7-35)。所謂相仿，就是保持葉輪其它參數完全相同，包括葉輪進、出口直徑和進、出口葉片角四個參數和弧前盤型線相同，葉片寬度也相同，只是葉片型線不同，原來是圓弧型線，改為等當量擴張角型線，反之亦然。然后分別進行兩種不同葉片風機的數值預估變工況性能，并與原有的性能數據對比，考察二者型線變化對風機性能的影響。
結果表明：對于上凸圓弧葉片，其整機性能和等當量擴張角葉片風機性能相仿，對于下凹圓弧葉片，風機性能明顯低于等當量擴張角葉片風機，一個全壓和效率低6%，另一個低1.5%。可以得出初步結論：對于上凸圓弧葉片可以代替等當量擴張角葉片，下凹圓弧葉片需要慎用[25]。
應該指出：本文用圓弧葉片代替等當量擴張角葉片，或者相反代替時，原風機都是優化好的最佳風機設計參數，對于替代風機來講，這些風機設計參數是較好的參數，但不一定是最佳的，所以這樣比較還有點不公。
鑒此，我們認為：對圓弧葉片不能再簡單地認為其性能一定不好。由于它加工方便，成本低，設計時應盡量優先采用，特別是上凸圓弧葉片推薦使用，但下凹圓弧葉片需要慎用，如對圓弧葉片風機參數優化后性能仍然不行，則可采用其它好的葉片型線，如等當量擴張角葉片型線等，這就是我們對后向離心風機圓弧葉片的新認識。
最近，我們對一個平直盤葉輪的上凸圓弧葉片改成等當量擴張角型線后，全壓增加4.5%，葉輪效率提高1%，所以上述結論只限于弧前盤葉輪。
本節詳情見《對后向離心風機圓弧葉片的新認識》[25]。
5 結束語
本文主要是梳理了清華大學流體力學研究所36年來結合高性能風機的開發對離心風機氣動設計方法的學習和研究得到的一些心得體會，希望能引來拋磚引玉的效果，進一步促進和繁榮我國的風機行業。 參 考 文 獻 [1] Eck B. Fans [M]. Pergamon Press,1973.
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