流体机械

鼓风机蜗壳系列化设计方法与应用研究

王杨 ¹^,² , 包翠敏 ¹^,² , 李艺雯 ¹^,² , 关晓 ¹^,²

流体机械 | 应用技术 2026,54(5): 102-108

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流体机械 |应用技术 2026 , 54 (5) : 102 -108

鼓风机蜗壳系列化设计方法与应用研究

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王杨¹^,², 包翠敏¹^,², 李艺雯¹^,², 关晓¹^,²

作者信息

¹沈鼓集团股份有限公司，沈阳 110869

²大连透平机械技术发展有限公司，辽宁大连 116024

作者简介:

王杨（1983），女，硕士，高级工程师，主要从事压缩机、风机和泵类产品的进气、排气蜗壳开发工作，通信地址：116024辽宁省大连市甘井子区软件园路80号（理工科技园B），E-mail：dlut.wangyang2008@163.com。

Research on serialized design method and application of blower volutes

Yang WANG¹^,², Cuimin BAO¹^,², Yiwen LI¹^,², Xiao GUAN¹^,²

Affiliations

¹ShenGu Group Co.，Ltd.，Shenyang 110869，China

²Dalian Turbomachinery Technology Development Co.，Ltd.，Dalian 116024，China

出版时间: 2026-05-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.012

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摘要

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针对鼓风机蜗壳的系列化开发中，因设计流程单一和软件功能局限，导致重复设计、成本高昂和优化困难的问题，采用可调节隔板实现蜗壳系列化结构设计。通过优化隔板的宽度和高度，适应不同蜗壳的流道截面要求，实现鼓风机机组最大化共用蜗壳零部件。结合CFD计算和流场分析，确保系列化产品的性能品质和工况适应性，并通过试验验证数值模拟的可靠性。结果表明，采用可调节隔板进行蜗壳系列化设计时，隔板高度D₄/D₂的较优范围为1.65~1.72；隔板宽度大于5 mm时，通过优化其结构可提升系列化蜗壳的流场性能；采用系列化蜗壳结构的鼓风机机组具有宽工况适用范围，各机组的相对多变效率均高于82.5%，总压比大于1.8，并在污水处理节能工程中得到良好应用。研究可为鼓风机蜗壳系列化设计提供参考。

关键词

鼓风机 / 蜗壳系列化 / 气动设计 / 数值模拟

Abstract

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To address the issues of repetitive design，high cost，and optimization difficulties in the series development of blower volutes caused by a single design process and limited software functionality，an adjustable partition plate is adopted to achieve serialized structural design of the volute.By optimizing the width and height of the partition plate to adapt to the flow channel cross‑section requirements of different volutes，the maximum sharing of volute components across blower units is realized.Combined with CFD calculations and flow field analysis，the performance quality and operating condition adaptability of the serialized products are ensured，and the reliability of the numerical simulation is verified through experiments.The results show that when using the adjustable partition plate for volute serialization design，the optimal range for the partition plate height D₄/D₂ is 1.65~1.72；when the partition plate width is greater than 5 mm，optimizing its structure can improve the flow field performance of the serialized volute.The blower units adopting the serialized volute structure have a wide operating range，with relative variability efficiencies of each unit all exceeding 82.5%，and total pressure ratios greater than 1.8，and they have been well applied in wastewater treatment energy‑saving projects.This study can provide a reference for the serialized design of blower volutes.

Key words

blower / volute serialization / aerodynamic design / numerical simulation

引用本文

王杨, 包翠敏, 李艺雯, 关晓. 鼓风机蜗壳系列化设计方法与应用研究. 流体机械, 2026 , 54 (5) : 102 -108 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.012

Yang WANG, Cuimin BAO, Yiwen LI, Xiao GUAN. Research on serialized design method and application of blower volutes[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (5) : 102 -108 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.012

正文

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0　引言

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随着工业节能与环保要求的不断提高，空气悬浮离心鼓风机因其高效、低噪、无油等优势^［1-2］，在污水处理、食品医药、电力化工等领域得到广泛应用。在鼓风机的诸多部件中，排气蜗壳扮演着至关重要的“收官”角色^［3-4］。其不仅收集从叶轮出来的高速、高压气体^［5-10］，更承担着将气体动能有效地转化为静压能，并平稳导入下游管路系统的重任。排气蜗壳内部流动状况的优劣，直接决定了鼓风机性能、运行稳定性与噪声水平。因此，开展排气蜗壳的精细化气动设计与性能优化研究，不仅是提升压缩机综合性能的核心环节，也对推动相关领域的技术进步具有重要的工程意义。

在传统压缩机设计中，排气蜗壳的气动与结构设计，通常紧密围绕某一特定模型级的性能参数与结构特征展开^［11］，其核心目标是实现与该单一模型级的最优匹配，以确保在设计工况下获得较高的效率与稳定的工作状态。随着产品平台化、系列化战略的深入实施，在压缩机排气蜗壳的系列化设计中，设计核心已从单一机型的匹配性，转向满足多机组产品系列化的整体需求^［12-13］。对蜗壳设计提出了更高标准的要求：蜗壳需具备能够在不同功率、转速和工作点下，重复使用的结构特征，以实现多机组共用同一蜗壳的设计理念；同时，蜗壳需要具备在不同机组之间，保持相似的流场分布和压力恢复特性，确保机组的效率和可靠性不因机型差异而显著波动。

本文以空浮鼓风机系列化蜗壳为研究对象，通过确定系列化蜗壳的关键设计参数，采用数值模拟和试验验证相结合的方法，实现鼓风机系列化机组产品的开发。通过采用蜗壳系列化，可以保证鼓风机产品性能和工况范围的稳定性，不仅是实现成本控制的有效手段，也是加速研发与验证周期，促进产品标准化与质量一致性的关键技术路径。

1　研究对象及数值方法

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针对7组不同功率（A~G机组：22~150 kW）、设计压升为80 kPa的空浮鼓风机排气蜗壳，进行系列化设计开发。7组空浮鼓风机基本模型级包括进气室、长短叶片半开式叶轮、无叶扩压器和排气蜗壳，研究域如图1所示。7组空浮鼓风机模型级采用不同结构的叶轮和扩压器结构，通过气动设计匹配合适的系列化蜗壳，得到性能优异的模型级设计方案。

采用六面体网格进行全流体域网格划分，如图2所示。其中，无叶扩压器与蜗壳在NUMECA/Igg模块中完成网格划分；蜗壳与转子交界处的流动信息交换采用冻结转子法处理，在NUMECA/Fine模块中完成数值计算；采用S-A湍流模型进行求解，壁面设置为无滑移绝热边界条件。如图3所示，壁面y⁺保证在10以内，以保证数值模拟的准确性。

2　蜗壳的系列化设计

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蜗壳系列化设计时，需要综合考虑其气动性能和结构性能，而这两者通常是相互制约的。其中，气动性能需要考虑蜗壳内的流动损失和鼓风机的效率^［14-15］，而结构性能需要满足多功率机组的结构尺寸要求，并尽可能地降低加工成本。

2.1　结构设计

在鼓风机的排气蜗壳设计中，为兼顾结构合理性与经济性，半包围式蜗壳结构被广泛采用。原蜗壳结构如图4（a）所示，外壳体与扩压器隔舌（虚线内）为一体化结构，工艺上采用一体化铸造，其结构和尺寸受到约束，只能满足单一设计需求，具有明显的应用局限性。与之相比，系列化蜗壳结构如图4（b）所示，使同一蜗壳主体通过更换不同尺寸的隔板，适配于多种不同性能要求的系列化机组；该结构不仅使铸造中的造型、落纱、清理等工艺流程更简单易操作^［16］，也便于在生产、维修和更换部件时进行快速组装和拆卸。

2.2　气动参数研究

为实现同一蜗壳系列对不同型号机组适配时的结构通用性与高效性，在蜗壳的系列化气动设计中，提高性能的同时要充分考虑与上游通流部件的匹配关系^［17］。系列化蜗壳隔板结构如图5所示。

通过改变隔板的宽度（l₂）与高度（D₄/D₂，D₂为叶轮直径），研究其与流道特征的匹配关系。鼓风机系列化设计时采用不同的叶轮结构，扩压器流道宽度b会随之改变，隔板宽度和高度设计为可联动调节，从而精确匹配不同型号蜗壳的流道截面变化需求。

由于扩压器宽度b的不同，需要匹配不同隔板的宽度，满足不同机组的结构设计需要。某些情况下会导致部分机组的隔板宽度较大，影响蜗壳内流动的均匀性，进一步影响蜗壳性能。文中通过改变隔板宽度，并局部优化隔板结构（对隔板进行切削和打磨），以满足气动流场的均匀性要求。

图6示出G机组（150 kW）优化前后，蜗壳螺旋截面的流场均匀性分布（DES为根据扩压器宽度确定的流道隔板宽度，OPT为对隔板顶部进行局部切削）。

设计工况下，蜗壳隔板较宽导致气体转向角度较大，蜗壳螺旋90°截面，隔板上方蜗壳内存在明显的低速区，隔板附近漩涡清晰可见，降低了通道气流流动的稳定性。优化前低能流体在蜗壳内壁的积聚更容易造成蜗壳内的流动分离；优化隔板结构后，气体可以顺畅地进入螺旋截面，在120%设计流量下，螺旋90°和360°截面显示，流道内速度分布改善，漩涡流动的剪切应力损失降低，流场性能改善明显。

对7组系列化蜗壳的隔板宽度进行对比发现，当隔板宽度超过5 mm时，对其进行切削处理，可提升蜗壳的流场性能。改变隔板高度（D₄/D₂），A机组和G机组性能如图7所示。

数值模拟结果显示，改变隔板高度会影响机组性能，相对多变效率差在0.5%左右，A机组扩压器出口位置的D₄/D₂会稍大，A机组D₄/D₂=1.72时，相对总压升和相对多变效率最优；随着功率的增加，扩压器出口位置的D₄/D₂下降，G机组D₄/D₂=1.65时，机组性能最优。D₄/D₂为1.65~1.72时，系列化蜗壳具有稳定的性能。

3　系列化蜗壳的性能分析

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综合考虑流量、功率、叶轮的设计和结构参数、扩压器出口流场参数，对鼓风机排气蜗壳进行系列化设计工作。

如图8所示，在保证机组结构满足安装要求的前提下，采用3组系列化蜗壳实现蜗壳设计。

图9示出各机组采用系列化蜗壳后的性能曲线，所开发模型级在功率满足要求的前提下，整级相对多变效率均高于82.5%，总压比均高于1.8。不同功率机组之间稳定运行工况范围存在重叠区域，同时随着功率等级的增加，最佳运行工况范围向大流量偏移。

系列化蜗壳满足性能要求，并具有均匀的流场结构，如图10所示。

4　试验验证及产品应用

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试验测试装置如图11所示，分别进行振动测试和性能测试。图12示出D机组样机在设计转速和设计流量下，数值模拟与试验的性能曲线。由图可知，试验测量稳定运行工况范围，较数值模拟结果更为宽广，尤其在小流量区域；在整个稳定运行工况范围内，数值模拟结果与试验结果吻合较好，在设计工况下试验相对多变效率η高于82.5%，相对总压升ΔP高于80 kPa，满足设计要求。基于本文所开发的系列化蜗壳，成功应用于22，75，112 kW空浮鼓风机机组，如图13所示。系列化鼓风机产品替代原罗茨风机，实现高效平稳运行，每年可有效节省大量电力，实现35%~45%节能效果。

5　结论

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（1）通过匹配合适宽度与高度的隔板，能够精准调整流道的有效通流面积与气流引导路径，从而满足从低功率到高功率、小流量到大流量机组的性能需求。D₄/D₂在1.65~1.72时，系列化蜗壳具有高效、稳定的性能。

（2）当可调节隔板宽度超过5 mm时，对其进行切削处理可提升系列化蜗壳的流场性能。CFD流场分布显示，改变蜗壳隔板宽度l₂可以优化流场结构，以达到减小截面旋转气流对蜗壳入口气流的冲击影响，以及速度分布不均匀的目的，以此提高机组性能。

（3）不同鼓风机机组最大化共用蜗壳零部件（7组机组采用3组蜗壳结构），该设计方案在一定范围内满足不同流量的产品结构和性能（相对多变效率≥82.5%、相对总压升≥80 kPa）设计需要。

（4）通过试验验证系列化蜗壳设计的可行性和数值模拟的准确性，在整个稳定运行工况范围内，数值模拟结果与试验结果较吻合，误差在合理范围内。得到满足设计要求并具有优良性能的系列化蜗壳设计方案。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第54卷第5期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.05.012

接收时间：2026-01-07
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-05-30

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收稿日期：2026-01-07
修回日期：2026-05-10

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¹沈鼓集团股份有限公司，沈阳 110869

²大连透平机械技术发展有限公司，辽宁大连 116024

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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