便攜式呼吸裝置高速離心風機的設計與研究

宋家祺, 王 彤

(上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240, E-mail: twang@sjtu.edu.cn)

現有呼吸裝置的氣源一般包括兩類,氣罐式和壓縮空氣式。對于個人便攜式呼吸裝置,無論是滿足長時間醫用和防塵供氣的需要,壓縮空氣式是氣源裝置的首選。從便攜性要求出發,氣源需要與呼吸裝置一體化,尺寸小、重量輕是首要條件,其次對氣源的氣動性能以及結構有進一步的要求。因此在便攜式呼吸裝置的開發中,一般要求整機尺寸小于100 mm[1-2],流量范圍要盡可能廣,并在所有流量內保持穩定的壓力,即在所需要的流量范圍內,氣源裝置的壓力相對于目標壓力變化不大于15%。

目前便攜式呼吸裝置的氣源裝置,根據其流量與壓升需求一般采用離心風機機型;由于尺寸限制,在單級能力有限的情況下不得不使用多級風機或渦輪疊加的方式[3-4]或者通過增大葉輪直徑的方式[5]來提高氣源裝置的性能。說明現有氣源動力部件在單級情況下,無法同時滿足寬范圍流量工況和穩定壓升的條件。

由于傳統的工業機型難以實現小型化,而微渦輪雖然可以減少尺寸但是制作成本較高,研發適用于便攜式呼吸裝置氣源尚具有一定的技術難度。為了提高離心風機的性能,國內外普遍集中于離心風機的葉型的進出口角度以及流道尺寸的優化設計[6-7],目前還沒有以風機葉片角度分布為優化參數的研究。

因此本文對于便攜式呼吸裝置的高速離心風機的研發,在保證其整機最大長度需在100 mm以內,葉輪外徑42 mm的條件下,基于呼吸裝置所需的性能以及各個參數的需求的問題進行分析,采用Bezier曲線參數造型的方法并結合進化算法,以葉片角度分布以及葉片出口安裝角為優化參數對風機的全壓系數以及效率為尋優目標進行多優化設計[8],最后進行樣機的實驗性能測試來驗證設計有效性。

1 小型高速離心風機模型構建

1.1 便攜式呼吸裝置的氣源性能需求

便攜式呼吸裝置一般可用于輔助性治療睡眠呼吸暫停綜合征,或者是為醫療救援時提供穩定氣源等,因此呼吸裝置的性能需求在流量和升壓能力兩個方面進行考慮。流量的計算通過潮氣量(VT)與呼吸頻率的關系得到。潮氣量是指靜息狀態時每次吸入或呼出的氣量,成人的VT一般為(8～10)mL/kg,小兒VT通常為(6～10)mL/kg,呼吸頻率通常指的是每分鐘呼吸次數,對一般成年人來說,其呼吸頻率為每分鐘15～18次呼吸,人們的呼氣的流量Q可以表示為Q=VT·f·m,f為呼吸頻率,m為標準體重。因此對于身高處于1.5 m～2.1 m的成年男性而言,呼氣的流量Q為5.88 L/min～16.38 L/min。根據楊敏等人[9]調查發現人情緒緊張時,呼吸量大,可達到為42.5 L/min,且發現成年人的呼吸量為(8～16)L/min,與計算貼合?？紤]到通氣裝置應該放有一定的余量,因此所研發的適用于便攜式呼吸裝置的氣源流量范圍應該為(0～60)L/min,其中設計工況流量點是Q=40 L/min。

對于呼吸裝置需求而言,其產生的壓力應該處于(400～2 000)Pa之間。進一步考慮過濾煙氣或是有毒空氣的功能,要加裝空氣過濾裝置,其壓損一般在500 Pa內[10]。這樣可以確定呼吸裝置配氣源的最大壓升為2 500 Pa,考慮到壓力的波動范圍不超過±15%,因此在工作流量下壓力范圍應該是2 150 Pa～2 850 Pa。

1.2 小型風機葉片參數化造型

在幾何外型受到限制的情況下,葉輪出口寬度也很小,僅有毫米級,導致壁面摩擦效應顯著,風機流動損失一般較大,需盡量選用高壓升系數的模型級?？紤]到6-18風機特性,以其為原型進行開發。在結構方面,由于便攜式呼吸裝置結構的限制,葉輪的外徑最大為D2=42 mm。為了提高風機的通流能力,將葉輪的內徑取為10.5 mm。該設計目標的流量小于原型風機的流量,為了保持葉片入口氣流的攻角,葉片的入口安裝角度β1A調整為27°。相較于普通風機而言,小型高速離心風機葉輪流道比較小,必須考慮由于葉片厚度帶來的流動阻塞,因此為了防止流道入口處的堵塞,降低葉片的數量,因此葉片數量z為8。

▲圖1 參數化構造葉片型線

本文采用Bezier曲線構造原型機葉片的中弧線,通過改變參數來調整葉片中弧線的角度分布以及葉片出口安裝角,對葉片進行優化。原型機的葉片中弧線如圖1所示,采用三次Bezier曲線擬合。O點為葉輪的中心,四個控制點的位置決定了曲線的形狀。優化設計中,保持A0的位置不變,且保持葉片入口安裝角β1A=27°不變。葉片的角度分布由點A1、與O點的距離L1以及點A2與O點的距離L2決定,即β(L1,L2)。

1.3 數值模型構建

數值模擬氣源風機的性能需要構造流道模型并進行網格劃分。為了提高數值模擬效率,在優化的過程中選用單葉片流道模型,暫不考慮蝸殼性能影響。為了獲得考核葉輪升壓能力,在其出口接無葉擴壓器以穩定流動。

圖2為流道入口段、葉片通道和無葉擴壓器域的網格,均采用結構化網格。葉片通道網格由Turbogrid生成,葉片壁面處加密以便模擬近壁區流動。湍流模型為k-ε模型[11],控制流道模型的y+不小于30,求解格式采用高階求解模式,收斂的殘差小于10-5,迭代總步數設為3 000。邊界條件設置為總壓入口[12],壓力為101 325 Pa,溫度為25 ℃,出口條件為流量參數。

▲圖2 各區域網格

2 基于數值分析的尋優設計

對于便攜式呼吸裝置而言,其中核心的部分便是氣源動力裝置,本文所研究的便攜式呼吸裝置的氣源動力是由小型高速離心風機提供的,因此將針對風機部分進行研發設計。

2.1 尋優目標

小型高速離心風機的優化設計存在著非線性以及多約束等問題,以全壓系數以及效率為優化目標,其優化的數學模型為:求X=[β(L1,L2),β2A],使得F(X)=f1(x)·ω1+f2(x)·ω2,ω1+ω2=1,F(X)最大化。其中f1(x)、f2(x)分別對應全壓系數和多變效率,ω1、ω2分別為目標的權重因子。

2.2 尋優流程

為了使葉型的造型合理,且考慮到風機的裝配尺寸,通過調控參數來確定合理的范圍,β2A=50°～70°,L1=0.33～0.69R2,L2=0.738～0.976R2,其中R2為葉輪半徑。是采用高級拉丁超立方取樣法(ALHS)[13]進行取樣,生成三個變量的樣本空間。葉輪的設計基于ANSYS軟件搭建,批量生成葉輪的模型以及網格模型,并將其導入到CFX中進行數值模擬以獲得優化過程中模型的總壓以及效率,建立樣本數據庫。

▲圖3 優化設計流程框圖

2.3 尋優結果

圖4為風機在27 000 r/min的轉速下優化后的Pareto前沿解,由圖可以看出Pareto前沿的效率范圍是0.54-0.62,全壓系數范圍為1.14-1.18。由Pareto前沿中取得一個最優值方案為方案A,若將ω2取1,ω1取0則獲得效率最大的解,該設計點為方案B,以此作為對比。表1為兩個方案的數據。

表1 優化后的葉片參數

▲圖4 Pareto前沿解

3 數值模擬結果分析

3.1 性能結果分析

在27 000 r/min轉速下,對二個優化設計方案的性能進行數值模擬。圖5和圖6為設計方案A、B的全壓系數曲線和效率曲線。由二圖可以看出,大部分流量下方案B的效率高于方案A,但并不明顯;而就升壓能力而言,方案A則整體優于方案B。此外,設計方案A的全壓系數曲線相比較方案B更加的穩定。

▲圖5 全壓系數曲線

▲圖6 效率曲線

3.2 升壓特性分析

圖7和圖8分別為A、B方案在相對設計流量下的中間葉高處截面的總壓云圖。從圖8中可以看出流體在葉片前緣的繞流形成了低壓區,削弱了流體的局部分離的趨勢,流道內的壓力分布合理,壓力面大于吸力面。在葉輪吸力面的進口位置葉輪內部壓力最小,在葉片尾緣處壓力最大,且隨著流量的增大,葉片尾緣處的局部高壓區逐漸減小,在設計流量Q下,方案B的區域更加明顯。

▲圖7 方案A-50%葉高處總壓分布

▲圖8 方案B-50%葉高處總壓分布

3.3 葉輪強度校驗

由于高速旋轉葉輪故障發生率高,因此針對葉輪的強度以屈服極限為校核的基準。對A方案葉輪實體進行網格造型,基于有限單元法進行強度分析,邊界條件為輪轂處施加全約束,轉速為27 000 r/min。圖9和圖10分別為材料為鋁合金與塑料的葉輪的Von Mises應力云圖。由圖9和圖10應力分布可知,鋁合金材料的葉輪最大應力為9.23 MPa,遠小于鋁合金的屈服強度370 MPa;材質為塑料的葉輪最大應力為4.60 MPa,亦遠小于塑料的屈服強度46.71 MPa。綜上所述,葉輪的優化設計滿足了強度要求。

▲圖9 鋁合金葉輪Von Mises應力云圖

▲圖10 塑料葉輪Von Mises應力云圖

4 實驗性能的驗證

4.1 樣機性能實驗

▲圖11 樣機與實驗管路

經過氣動參數的設計和結構強度校驗后,選用鋁合金材料進行樣機制造,由高速電機驅動。參照《工業通風機用標準化風道性能試驗》標準[14]做進出口風管性能測試,實驗管路布置如圖11所示,包括進口流量噴嘴、進出口管道壓力測點和調節流量的出口閥門。

實驗測試時,從閥門全開狀態,即最大流量開始測試,逐漸關閉出口閥門減小其流量,直到閥門關閉,得到整個流量工況下的性能曲線,如圖12所示。在設計轉速27 000 r/min,由圖12的性能曲線可以看到,在整個流量工況范圍內,樣機的壓升平穩隨流量的變化不大,其壓力波動小于15%,在(0-60)L/min流量范圍內處于(2 250～2 850)Pa之間;在設計點40 L/min,壓升達到了2 780 Pa,完全達到了設計的要求。

▲圖12 便攜呼吸裝置的流量—壓升的曲線

4.2 數值性能結果與實驗結果的對比

進一步對樣機的整機性能進行數值模擬,采用全葉輪通道結合蝸殼流道[15],計算方法與單葉片通道一致,其性能結果也呈現在圖12中。

從圖12可見,整機的性能數值模擬結果,無論是流量工況范圍還是升壓能力,均與實驗結果符合,說本文基于數值模擬的優化設計方法是可靠的,數值模擬性能可信。

樣機的實驗性能與數值模擬性能均驗證了本文設計結果的可靠性,該樣機完全可以為便攜式呼吸裝置提供穩定可靠的氣源。

4.3 樣機變轉速性能測試

采用變頻器調節電機轉速,在12 000 r/min～30 000 r/min可以得到壓升的無量綱性能曲線,如同13所示,各轉速下壓升系數變化規律幾乎完全一致。在30 000 r/min時,該樣機最高能達到流量為78 L/min,最大壓升為4 kPa。這說明所設計的樣機工作特性穩定,可以根據不同的呼吸裝置需求,獲得所需要的流量與壓升。

5 結論

基于便攜式呼吸裝置的性能需求,本文對其中的氣源部件進行研發。該便攜式呼吸裝置的流量范圍是(0～60)L/min,靜壓升為2 500 Pa且壓力波動不超過15%。相應研究結論如下:

▲圖13 無量綱性能曲線

(1) 采用三階Bezier曲線對葉片的中弧線進行參數化構造,以葉片出口安裝角以及葉片角度分布為優化的依據,不僅避免了產生的不合理的葉型,還能夠完成參數設置以及數值分析的一體化過程,簡化了適用于呼吸裝置的高速離心風機的設計。

(2) 基于GB/T1236—2017標準進行性能測試,所設計的應用于便攜式呼吸裝置的高速離心風機,在設計轉速下能在工作流量內滿足便攜式呼吸裝置壓力的需求,驗證了該方法的可靠性,可以用于產品的研發設計。針對不同的需求,可以通過調整轉速來進行匹配用戶的參數。