6—51No.8高效離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究與試驗(yàn)

摘 要：本文闡述了利用工程設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、流場(chǎng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法，根據(jù)改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法給出綜合性能較好的風(fēng)機(jī)通道型線；然后利用三維湍流數(shù)值模擬來計(jì)算分析其內(nèi)部流場(chǎng)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過樣機(jī)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)性能實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)及修正設(shè)計(jì)方法并得到高性能的產(chǎn)品的過程。

關(guān)鍵詞：高效離心風(fēng)機(jī)；三維湍流場(chǎng)；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)性能實(shí)驗(yàn)；樣機(jī)；

中圖分類號(hào)：TH432 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-03-00-02

一、研發(fā)背景

高壓離心通風(fēng)機(jī)效率低（75-80%）一直是風(fēng)機(jī)行業(yè)多年難以解決的問題，針對(duì)這種現(xiàn)狀，鞍山風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司于2013年6月研制開發(fā)專門用于大型鍋爐的離心風(fēng)機(jī)。針對(duì)的原型引風(fēng)機(jī)具體參數(shù)是：?jiǎn)芜M(jìn)氣， 流量350000-390000 m3/h， 全壓6900-7400帕，工作溫度為150℃ ，葉輪直徑2.5米，轉(zhuǎn)速960 轉(zhuǎn)/分，對(duì)應(yīng)的全壓系數(shù)為0.61--0.63， 流量系數(shù)為0.141—0.180，比轉(zhuǎn)數(shù) 49—52。由于原型機(jī)的尺寸很大，本項(xiàng)目研制的模型機(jī)參數(shù)為單進(jìn)氣，流量10200-13100 m3/h， 全壓1000-1140帕，工作溫度為20℃ ，葉輪直徑0.8米，轉(zhuǎn)速960 轉(zhuǎn)/分，全壓效率不低于84%。

在研發(fā)過程中進(jìn)行風(fēng)機(jī)模型機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，繪制出氣動(dòng)力圖，同時(shí)對(duì)原型機(jī)的強(qiáng)度和振動(dòng)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)氣動(dòng)力圖進(jìn)行樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)、制作樣機(jī)并進(jìn)行樣機(jī)性能測(cè)試。該風(fēng)機(jī)于2014年研制成功后系列化并投放市場(chǎng)，現(xiàn)已在正常運(yùn)行，比同類型風(fēng)機(jī)效率高出4個(gè)百分點(diǎn)達(dá)到84.6%，節(jié)能效果非常明顯。

二、離心風(fēng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

（一）高效離心風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)在我國(guó)是對(duì)低壓氣體壓縮的葉輪機(jī)械的習(xí)慣簡(jiǎn)稱。葉輪機(jī)械在我國(guó)又稱為透平機(jī)械。通常所說的風(fēng)機(jī)包括各類通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、低壓氣體壓縮機(jī)以及羅茨風(fēng)機(jī)等。氣體壓縮的葉輪機(jī)械是通過葉輪把機(jī)械能旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能和流動(dòng)動(dòng)能，并將氣體輸送出去的機(jī)械。按葉輪中的流動(dòng)方向分為離心式、軸流式和混流式。本項(xiàng)目研制的是透平機(jī)械中的離心風(fēng)機(jī)。

離心風(fēng)機(jī)由旋轉(zhuǎn)的葉輪、靜止的蝸殼和進(jìn)風(fēng)口（亦稱集流器）三大部件組成，有些葉輪外緣帶有無葉擴(kuò)壓器，如圖1所示，有些離心風(fēng)機(jī)在進(jìn)風(fēng)口前還帶有進(jìn)氣室或?qū)Я髌?，出口帶有靜止導(dǎo)葉的擴(kuò)壓器等附件。在離心風(fēng)機(jī)中，當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體從進(jìn)風(fēng)口被吸入，先沿軸向流動(dòng)再折轉(zhuǎn)約90o后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的葉輪通道，在離心力的作用下被甩向葉輪外緣進(jìn)入蝸殼，同時(shí)由于葉片作功，氣體獲得能量，總壓（動(dòng)壓和靜壓之和）提高。蝸殼的作用是收集氣體、使它部分動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓并導(dǎo)流使它從蝸殼出口排出。

（二）風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)

我們認(rèn)為對(duì)已有設(shè)計(jì)方法的根本改善，必需定量分析離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的三維粘性流動(dòng)，并考慮各部件間的相互影響，從整體上定量預(yù)估出整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能。隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟硬件及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，已有完全可以實(shí)現(xiàn)在離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中全面引入并開發(fā)結(jié)合工程實(shí)際的三維N-S流場(chǎng)數(shù)值模擬軟件，使它成為離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵手段和重要依托。

離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬是很困難的，這主要是由于離心風(fēng)機(jī)流道結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。如圖1所示，離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和蝸殼是靜止不動(dòng)的，而葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以葉輪和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)都是不定常流；眾所周知，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)均是擴(kuò)壓過程，易引起分離流，再加上風(fēng)機(jī)葉片形狀和葉輪前盤都是彎曲，流道曲率變化大，還存在葉輪和進(jìn)風(fēng)口之間的間隙，引起流量的泄漏和回流，使流動(dòng)更為復(fù)雜。另一方面，根據(jù)我國(guó)許多行業(yè)所使用的離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況調(diào)查表明，很大一部分的離心風(fēng)機(jī)都在偏離甚至遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，使運(yùn)行效率更為低下，噪聲增大，這是因?yàn)樵诜窃O(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)流道內(nèi)的流動(dòng)更加復(fù)雜紊亂。

這里還應(yīng)說明一下離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試的困難。由于葉輪在高速旋轉(zhuǎn)，葉片和蝸殼通道空間窄小又曲折，雖然可應(yīng)用各種近代流體測(cè)量技術(shù)，例如熱線測(cè)量技術(shù)、激光測(cè)速和PIV粒子成像技術(shù)等，來對(duì)離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行可視化或測(cè)試，揭示離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部部分流場(chǎng)細(xì)節(jié)，但未見有詳盡和公認(rèn)的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果供數(shù)值模擬參照考核。面對(duì)這種情況，比較實(shí)用簡(jiǎn)單的考核方法是采用離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)性能試驗(yàn)，測(cè)試其流量、全壓、效率和噪聲，用來考核數(shù)值模擬的總體結(jié)果。另一方面來說，由于離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)太復(fù)雜，靠數(shù)值模擬來準(zhǔn)確預(yù)報(bào)流場(chǎng)細(xì)節(jié)尚難實(shí)現(xiàn)，所以采用現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)性能試驗(yàn)方法來考核是合適的。

我們提出了的離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，其思路總體來說就是利用改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、流場(chǎng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。具體實(shí)施的步驟是：首先根據(jù)改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法給出綜合性能較好的風(fēng)機(jī)通道型線；然后利用三維湍流數(shù)值模擬來計(jì)算分析其內(nèi)部流場(chǎng)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，好中選優(yōu)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；最后通過樣機(jī)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)性能實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)及修正設(shè)計(jì)方法并得到高性能的產(chǎn)品。這種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵和難點(diǎn)是離心風(fēng)機(jī)通道內(nèi)三維湍流場(chǎng)的數(shù)值模擬，包括如何考慮離心風(fēng)機(jī)各個(gè)部件間的相互影響及正確預(yù)估出整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能，也正是由它來優(yōu)化和改進(jìn)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的。

三、6-51No.8風(fēng)機(jī)模型機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

6-51系列離心風(fēng)機(jī)是專門針對(duì)大型鍋爐的離心風(fēng)機(jī)，也可也可作為一般用途離心風(fēng)機(jī)用于參數(shù)合適的其他場(chǎng)合。8號(hào)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：全壓系數(shù)為0.6左右，比轉(zhuǎn)速在51左右，全壓效率大于84%。我們依據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的思想，首先通過改進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法給出良好的風(fēng)機(jī)流道。具體做法是，按照等當(dāng)量擴(kuò)張角流型，根據(jù)風(fēng)機(jī)的流量、全壓、溫度、轉(zhuǎn)速、葉輪直徑，在不同的葉片進(jìn)口安裝角、葉片進(jìn)出口寬度比、進(jìn)口加速系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)下可得到不同的設(shè)計(jì)方案。接下來，利用風(fēng)機(jī)整機(jī)三維湍流流場(chǎng)數(shù)值模擬得到風(fēng)機(jī)的全壓、效率等性能參數(shù)，從中選擇性能最優(yōu)者作為備選設(shè)計(jì)方案。這樣通過近30個(gè)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算和選優(yōu)，最后得到一個(gè)性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)，制作樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試。最后，委托國(guó)家風(fēng)機(jī)質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行了權(quán)威的測(cè)試，最終確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

四、高效離心風(fēng)機(jī)整機(jī)三維湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬

（一）基本方程及數(shù)值方法

對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)三維流場(chǎng)數(shù)值模擬是離心風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵，數(shù)值模擬的基本方程是雷諾時(shí)均N-S方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。我們?nèi)∪~輪后盤中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸為z軸。這樣，沿Z軸等角速度ω旋轉(zhuǎn)的直角座標(biāo)系（x，y，z）中的不可壓牛頓流體、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型、雷諾時(shí)均的N-S方程為：

（二）計(jì)算域、網(wǎng)格劃分

計(jì)算域首先包括風(fēng)機(jī)的三大部件即進(jìn)風(fēng)口、葉輪和蝸殼。另外，在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口分別增加延伸區(qū)以模擬風(fēng)機(jī)實(shí)際的安裝或工作狀態(tài)。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合，網(wǎng)格總數(shù)約70萬，其中葉輪網(wǎng)格約50萬，蝸殼網(wǎng)格約20萬。

五、主要部件幾何參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能和流場(chǎng)的影響

（一）葉片進(jìn)口角

離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口角是葉片極為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它直接影響葉片進(jìn)口附近的氣流，從而直接影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。葉片進(jìn)口角b1j的取值由下式確定：

1、進(jìn)口角對(duì)葉片通道流動(dòng)的影響

2、進(jìn)口角對(duì)葉片通道內(nèi)流量分配的影響

3、進(jìn)口角對(duì)風(fēng)機(jī)各部件流動(dòng)損失的影響

（二）葉輪與進(jìn)風(fēng)口的間隙

葉輪是旋轉(zhuǎn)的，而進(jìn)風(fēng)口則是靜止不動(dòng)的，兩者之間必然存在間隙δ。我們當(dāng)然希望間隙越小越好。但由于制造加工工藝的限制，間隙不可能很小，根據(jù)工藝水平的要求，對(duì)于直徑為800mm的葉輪合理的間隙通常在5mm以下

1、間隙對(duì)流動(dòng)的影響

間隙影響的風(fēng)機(jī)子午面內(nèi)的二維流線。影響葉輪和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)；影響風(fēng)機(jī)的全壓和效率。

2、間隙對(duì)流動(dòng)損失及風(fēng)機(jī)性能的影響

間隙顯著影響風(fēng)機(jī)性能。當(dāng)間隙為2.0mm和2.5mm時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓效率分別降低1.2%和1.8%，風(fēng)機(jī)全壓相應(yīng)的分別降低40Pa（3.1%）和48Pa。原因在于，由于間隙的存在，通過葉輪的流量略有增加使得葉輪總壓降低；

3、間隙有助于改善葉輪進(jìn)口處的流動(dòng)

存在間隙時(shí)葉輪損失有所降低，這是因?yàn)殚g隙處的二次流改善了從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入葉輪的主流。實(shí)際上，進(jìn)風(fēng)口與葉輪進(jìn)口銜接的部分是擴(kuò)壓流動(dòng)，間隙處的二次流有助于減小此擴(kuò)壓流動(dòng)的分離、使得氣流能沿進(jìn)風(fēng)口擴(kuò)張的管道順暢進(jìn)入葉輪；

六、結(jié)束語

鞍風(fēng)于2013年6月開始研發(fā)的大型鍋爐新型高性能風(fēng)機(jī)，是專門用于大型鍋爐（也可作為一般用途離心風(fēng)機(jī)用于參數(shù)合適的其他場(chǎng)合）的高效離心風(fēng)機(jī)，樣機(jī)型號(hào)為6-51No.8。鞍風(fēng)通過采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法成功研制出了高效、低噪的6-51系列風(fēng)機(jī)，該新型產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)同類型風(fēng)機(jī)中效率最高、噪音最低，目前已在火力發(fā)電、冶金 石化、環(huán)保除塵等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]續(xù)魁昌主編. 風(fēng)機(jī)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999

[2]商景泰主編. 通風(fēng)機(jī)手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994

[3]李慶宜主編. 通風(fēng)機(jī). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986