数据中心为何大多采用后倾式叶型离心风机？

精密空调内的风机作为数据中心制冷末端的核心部件，其性能特点直接影响到机房内温度场和压力场的分布。同时，风机能耗占到整个数据中心的10%左右，需要消耗大量的电能来提供其正常运行，所以风机的效率也十分值得我们关注。

通常，精密空调厂商会提供空调的整体性能参数，但是随着腾讯对数据中心制冷技术的理解以及对定制化产品（例如MDC空调、风墙等）要求的逐步深入与细化，我们有必要对风机等核心部件抽丝剥茧，揭开早已掩盖在层层产品躯壳下的真相。

目前，有MDC厂家以高效“后倾式离心风机”作为其微模块空调系统的卖点。

那究竟后倾式指的是什么，

特点是什么，

又为什么会有这些特点？

本文仅仅针对离心风机叶型这一个直观和重要的参数从几个方面进行分析。从流体力学的基础知识来看：

离心风机是相对于轴流风机而言的，工程中当需要大流量和较低压头时，往往采用轴流风机。

但是在数据中心内，由于传统精密空调通常会接较长风管或静压箱，需要一定的压头，所以采用离心风机比较普遍。

离心风机按照叶轮叶型可以分为前倾式、径向式以及后倾式三种：

图1 前倾式风机

图2 后倾式风机

叶轮流道几何形状投影图如下：

图3 叶轮流道几何形状投影图

其中，β1、β2为叶片进、出口的安装角度，是指叶片进、出口处的切线与圆周速度反方向线之间的夹角。流体一方面随叶轮旋转作圆周牵连运动，圆周速度为u；另一方面又沿叶片方向作相对流动，相对速度为w。流体的绝对v为u与w两者的矢量和。常常又将绝对速度v分解为与流量有关的径向分速vr和与压头有关的切向分速vu，前者方向与叶轮半径方向相同，后者与叶轮的周向运动方向相同。

将流体质点的诸速度绘在一张速度图上就是流体的速度三角形，也是分析叶轮特性最基本的图形。

图4 流体质点出口速度三角形

在理想条件下单位重量流体的能量增量与流体在叶轮中的关系，遵循欧拉方程：

HT∞= (v2u∞u2-v1u∞u1）/g，其中HT∞为无限多叶片的理论扬程

在设计泵或风机时，使进口绝对速度v1与圆周速度u1的工作角α1=90°，这时欧拉方程简化为：HT∞= v2u∞u2/g，又由速度三角形得v2u∞= u2-v2r∞cotβ2，所以有：

HT∞=u2 （u2-v2r∞cotβ2）/g

所以，当叶轮尺寸、转速、流量一定时，叶型决定了叶片安装角β2，叶片安装角β2决定了风机压头HT∞的大小。

图5 β2<90°，后倾式；β2=90°，后倾式；β2>90°，前倾式

后倾式叶轮： β2<90°，叶片出口方向和叶轮旋转方向相反，cotβ2>0，这时HT∞< u22/g；

径向叶轮： β2=90°，叶片出口方向和叶轮旋转方向垂直，cotβ2=0，这时HT∞= u22/g；

前倾式叶轮： β2>90°，叶片出口方向和叶轮旋转方向相同，cotβ2<0，这时HT∞>u22/g；

似乎可以得出如下结论：具有前倾叶型的叶轮所获得的扬程最大，其次为径向叶轮，而后倾叶型的叶轮所获得的扬程最小，因此具有前倾叶型的风机的效果似乎最好。

但

这种看法并不全面，因为在理论扬程中，同时存在着动压和静压。

展开欧拉方程，得到欧拉第二方程HT∞=[ (v2∞2-v1∞2）+(u2∞2-u1∞2）+(w1∞2-w2∞2）]/2g

再结合连续性原理可以得到其中的动压头HTd=(v22-v12）/2g=(v22-v2r2）/2g= v2u2/2g

由此可见，理论扬程HT中的动压头HTd是与出口速度的切向分速度v2u的平方成正比的。在同一叶轮直径和叶轮转速的条件下，后倾式叶轮β2<90°，其出口切向分速度v2u相比于径向和前倾式叶轮较小，因而后倾式叶轮的全部理论扬程中的动压头占比较少；而前倾式叶轮动压头占比较多。

动压头占比大，流体在蜗壳及扩压器中的流速大，动静压转换损失必然较大，所以尽管前倾叶型的风机的总的扬程较大，但能量损失也大，效率较低。

总结上面的内容，根据基础的流体力学知识有如下结论：

后倾式叶型风机：流道比较狭长，通流截面的变化较缓和，流体在后倾式叶片中能获得较好的导向。流速低，能量损失较小，因此噪声低、效率高。但是，产生的总能量较低，产生相同风压的情况下，必须有较大的外径或较高的转速。

前倾式叶型风机：扬程（风压）高、流量大；但流道短，通流截面变化急剧，有较大的流动损失；绝对速度较大，但能量损失大。考虑到在相同压头下轮径和外形可以做得较小，在微型风机中，适合采用前倾叶型叶轮。

另外，结合理论流量方程和前面提到的理论扬程方程，可以有：

HT=（u22-u2Qtcotβ2/επD2b2）/g，其中对于大小一定的风机而言，转速固定时，u2、ε、D2、b2均为定值，所以对于不同叶型，其轴功率与流量的关系大致如下：

图6 不同叶型的轴功率与流量的关系

可以看到：前倾叶型的风机所需的轴功率随流量的增加而增长得很快。这种风机在运行中增加流量时，原动机超载的可能性要大的多，而后倾叶型的风机几乎不会发生原动机超载的现象。

下面再以某典型品牌的不同叶型、相同外径的风机实测参数举例说明：

图7 后倾叶型离心风机特性曲线

上图为后倾叶型离心风机（TMDC内已有使用），特性曲线其中在2580rpm、200Pa静压工况下，风机风量为840CMH，功耗为115W，声功率级噪声为63dB(A)；

图8 前倾叶型离心风机特性曲线

上图为前倾叶型离心风机特性曲线，其中在1300rpm、200Pa静压工况下，风机风量为1000CMH，功耗为173W，声功率级噪声为65dB(A)；

两者对比可以看到，在相同200Pa静压下，后倾叶型离心风机相比于前倾叶型风机的转速较低，风量较小，功耗及噪声也更低，符合前面的推导结论。

另外，补充对应的轴流风机特性曲线如下图，其中在4800rpm、200Pa静压工况下，风机风量为810CMH，功耗为143W，声功率级噪声为69dB(A)；

图9 轴流风机特性曲线

注:

以上内容省略了各公式的推导过程以及流体轴向相对涡流运动、有限叶片的排挤作用等等因素的影响，只在理想叶轮的假设前提下，做定性比较。具体的定量计算可以参加相关资料中的半理论半经验公式。

综上所述，在数据中心机房内大多都采用的后倾式叶型的离心风机，其特点以及产生这些特点的原因也可以从上面的公式中推导而知。

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