雙進(jìn)氣高效離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 琦 邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 徐淑君/浙江上風(fēng)高科專(zhuān)風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司

雙進(jìn)氣高效離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

張 琦 邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 徐淑君/浙江上風(fēng)高科專(zhuān)風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司

0 引言

離心通風(fēng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。目前投入運(yùn)行的離心通風(fēng)機(jī)普遍存在效率低，能耗高等問(wèn)題。如何提高風(fēng)機(jī)性能、提高效率、降低噪聲是目前科研人員首要解決的問(wèn)題[1-3]。

雙進(jìn)氣箱體離心通風(fēng)機(jī)具有流量大、比轉(zhuǎn)速高、噪聲低等特點(diǎn)。但目前市場(chǎng)上該類(lèi)型風(fēng)機(jī)效率普遍很低。

常超[4]等通過(guò)CFD模擬仿真對(duì)雙進(jìn)氣后向離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)，表明CFD模擬仿真精度在5%以內(nèi)，提高了風(fēng)機(jī)效率。付望鋒[5]等采用Fluent軟件對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行模擬仿真，分析風(fēng)機(jī)內(nèi)部三維流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的基本一致。Chen-Kang Huang[6]對(duì)后向機(jī)翼型離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了葉片安裝角、葉片數(shù)、蝸舌距離以及蝸型線對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

本文以雙進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，分析單葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，確定風(fēng)機(jī)蝸殼型線、蝸殼寬度、集流器的設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)雙進(jìn)氣葉片對(duì)齊、雙進(jìn)氣葉片錯(cuò)位、單進(jìn)氣葉輪這三個(gè)模型進(jìn)行氣動(dòng)分析，分析這個(gè)模型的流場(chǎng)分布情況，分析單進(jìn)氣和雙進(jìn)氣模型的流量、全壓、效率的關(guān)系，為雙進(jìn)氣風(fēng)機(jī)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 風(fēng)機(jī)概念設(shè)計(jì)

本公司某雙進(jìn)氣后向離心式箱體風(fēng)機(jī)，內(nèi)效率為67%（不包含外箱時(shí)測(cè)試）。首先對(duì)原風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行CFD數(shù)值模擬仿真，氣動(dòng)三維計(jì)算模型圖見(jiàn)圖1。風(fēng)機(jī)流量、全壓及效率的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合（如圖2和圖3），在某種程度上，CFD計(jì)算模擬分析可以代替樣機(jī)試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和壓力分布圖見(jiàn)圖4，流場(chǎng)相對(duì)比較復(fù)雜，葉輪出口的沿周向氣體速度和壓力不均勻。葉片出口附近存在較為嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象[7-8]。葉片表面存在附面層，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，吸力面和壓力面附面層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)是不同的。葉片吸力側(cè)形成的低能流積聚的“尾跡區(qū)”，形成“射流-尾流”結(jié)構(gòu)。尾跡區(qū)減少了流道有效通流面積，對(duì)風(fēng)機(jī)性能形成產(chǎn)生不良影響[9]，同時(shí)這種“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)為低能團(tuán)，主要分布在葉輪出口的吸力面附近，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)被甩到蝸殼流道中，低能團(tuán)會(huì)破碎，形成更小的渦，最終以熱能的形式耗散。低能團(tuán)內(nèi)部壓力低，破碎后會(huì)形成壓力波，影響風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此要對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

雙進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)：風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量Q= 18 416m3/h，風(fēng)機(jī)全壓p=737Pa，葉輪直徑D2=642mm。

根據(jù)以上參數(shù)，分析單葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，總體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

a.單葉輪流量Q/2=9 208m3/h，全壓737Pa，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 210r/min;

b.葉片數(shù)為12，葉輪直徑D2=642mm，葉輪進(jìn)口直徑DS=442mm，葉片出口寬度B2=219mm，葉片進(jìn)口寬度B1=223mm;

c.蝸殼型線基于Pfleiderer法設(shè)計(jì)，把圓蝸殼改為方蝸殼（如圖5）。用此方法設(shè)計(jì)蝸殼型線，蝸殼型線相對(duì)比較大，也就是風(fēng)機(jī)體積比較大，耗費(fèi)的材料多，但風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能比較好。通過(guò)計(jì)算分析，蝸殼寬度確定為450mm；

d.集流器采用錐弧線，使氣流平穩(wěn)，減少流動(dòng)損失。

根據(jù)單葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)雙進(jìn)氣風(fēng)機(jī)模型（如圖6）。雙進(jìn)氣和單進(jìn)氣風(fēng)機(jī)的蝸殼型線、集流器相同；雙進(jìn)氣葉輪通過(guò)單葉輪鏡像，錯(cuò)位；蝸殼寬度選擇840mm。

2 CFD模型的建立

2.1模型預(yù)處理及網(wǎng)格劃分

在Solidworks中建立三維模型。把風(fēng)機(jī)計(jì)算域分為兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)域以及其他部件組成的流場(chǎng)域（采用相對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算）。兩個(gè)域通過(guò)interface連接，進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量以及能量傳遞。

由于影響離心風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵部位為葉輪、蝸舌、集流器及徑向間隙，因此為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)這三個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格特殊加密處理。通常，離心風(fēng)機(jī)出口處存在回流現(xiàn)象，為了方便計(jì)算，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)出口處都適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)。

離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難度大，研發(fā)周期長(zhǎng)，并且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格很難處理“徑向間隙”等問(wèn)題，導(dǎo)致計(jì)算性能偏高。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)幾何的適配性非常強(qiáng)，處理徑向間隙相對(duì)比較容易。離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子離靜止部件比較遠(yuǎn)，邊界層影響較軸流風(fēng)機(jī)小很多。為了準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)機(jī)性能，我們采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)為1 200萬(wàn)（如圖7），網(wǎng)格質(zhì)量0.4以上，在大型工作站中完成本模型的計(jì)算仿真。

2.2計(jì)算模型的設(shè)定

為了保證計(jì)算精度，首先對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，在穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，以穩(wěn)態(tài)模型為初始條件，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算設(shè)置如下:

計(jì)算模型為穩(wěn)態(tài)；流體介質(zhì)為完全氣體（Air Idea Gas）;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 210r/min;湍流模型采用k-ε模型；邊界條件:1）進(jìn)口選用全壓，2）出口選用流量，3）固體壁面采用無(wú)滑移光滑壁面，壁面函數(shù)為Scalable，4）交界面模型采用General Connection，坐標(biāo)變換模型采用Frozen Rotor,網(wǎng)格連接方式采用GGI；數(shù)值算法：對(duì)流項(xiàng)采用High Resolution,湍流數(shù)值算法采用一介格式（First order）。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果是否收斂，很大程度上影響后面瞬態(tài)計(jì)算，評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果是否收斂，要綜合以下幾個(gè)因素來(lái)判斷計(jì)算是否已近收斂：1）模型殘差（RMS）達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；2）計(jì)算物理參數(shù)基本無(wú)變化，趨于穩(wěn)定；3）進(jìn)出口質(zhì)量差小于0.5%。

模型達(dá)到以上三個(gè)要求，基本可以斷定模型已經(jīng)收斂。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，穩(wěn)態(tài)計(jì)算文件為初始條件，進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。瞬態(tài)的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，根據(jù)風(fēng)機(jī)特征長(zhǎng)度，特征速度以及網(wǎng)格特征尺度計(jì)算得到。

3 計(jì)算結(jié)果及流場(chǎng)分析

由表1～3和圖8和圖9可看出，這三個(gè)模型計(jì)算效率都比較高，都優(yōu)于原始風(fēng)機(jī)模型。雙進(jìn)氣錯(cuò)位風(fēng)機(jī)計(jì)算最高效率為81.34%，位于全開(kāi)流量的65%位置，流量為19 615m3/h，全壓為753.8Pa。雙進(jìn)氣對(duì)齊風(fēng)機(jī)計(jì)算最高效率為81.67%，位于該風(fēng)機(jī)全開(kāi)流量的60%位置，流量值為18 228m3/h，全壓為796.2Pa。單葉輪風(fēng)機(jī)計(jì)算最高效率80.92%，位于全開(kāi)流量的55%位置，流量為8 330m3/h，全壓為846Pa?？梢缘贸觯p進(jìn)氣風(fēng)機(jī)相對(duì)于單進(jìn)氣風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)往大流量偏移，其中雙進(jìn)氣錯(cuò)位最為明顯。雙進(jìn)氣對(duì)齊的效率最高，并且高效率工作區(qū)寬。

表1 雙進(jìn)氣葉片錯(cuò)位風(fēng)機(jī)性能表

表2 雙進(jìn)氣葉片對(duì)齊風(fēng)機(jī)性能表

表3 單進(jìn)氣風(fēng)機(jī)性能表

對(duì)三個(gè)模型的流量進(jìn)行分析，雙進(jìn)氣對(duì)齊和錯(cuò)位模型，其流量基本差不多，葉片對(duì)齊模型流量稍微偏高；單進(jìn)氣的流量基本為雙進(jìn)氣流量的一半。

對(duì)三個(gè)模型的全壓進(jìn)行分析，雙進(jìn)氣對(duì)齊和錯(cuò)位模型，全壓基本差不多。在一定范圍內(nèi)（55%～100%流量工況區(qū)），單進(jìn)氣的全壓低于雙進(jìn)氣模型，平均低了35Pa。在50%全開(kāi)流量位置，雙進(jìn)氣風(fēng)機(jī)模型全壓開(kāi)始回落，而單進(jìn)氣風(fēng)機(jī)壓力還在上升，雙進(jìn)氣風(fēng)機(jī)模型喘振提前。

由圖10可看出，這三個(gè)葉輪的靜壓分布總體相似，葉片壓力面的壓力高，靠近葉片尾緣位置壓力最高。葉片吸力面壓力低，靠近葉片前緣位置壓力最低，出現(xiàn)相對(duì)比較大的負(fù)壓。三個(gè)葉輪中，單葉輪的吸力面前緣負(fù)壓最高，分布相對(duì)比較寬，雙葉輪對(duì)齊次之，雙葉輪錯(cuò)位負(fù)壓區(qū)相對(duì)小。雙進(jìn)氣葉輪的前盤(pán)壓力分布相對(duì)比較對(duì)稱(chēng)，單進(jìn)氣葉輪壓力分布有一定的偏移。

如圖11所示，這三個(gè)風(fēng)機(jī)模型的流場(chǎng)情況總體比較好，葉片壓力面和吸力面之間的流道中基本沒(méi)有“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)，流動(dòng)損失小，可以預(yù)測(cè)，由于流動(dòng)損失導(dǎo)致的噪聲也低。在風(fēng)機(jī)靠近蝸殼附近，存在一條低速區(qū)，雙葉輪對(duì)齊和單葉輪的流場(chǎng)情況基本相似，雙葉輪錯(cuò)位模型最為明顯。這是由于葉片錯(cuò)位，錯(cuò)位葉片之間相互推進(jìn)而產(chǎn)生的結(jié)果。

由圖12可看出，雙葉輪錯(cuò)位風(fēng)機(jī)和單葉輪風(fēng)機(jī)在葉輪上盤(pán)和徑向間隙部位，存在比較大的速度梯度，而雙葉輪對(duì)齊模型，速度梯度相對(duì)比較小，流道更加平滑。雙葉輪錯(cuò)位的渦流較雙葉輪對(duì)齊，其渦的尺度比較大，個(gè)數(shù)少。而雙葉輪對(duì)齊渦相對(duì)比較小，個(gè)數(shù)多。這個(gè)也是由于葉片錯(cuò)位，葉片相互推進(jìn)，把小渦打碎，形成相對(duì)比較大的渦。

由于葉片對(duì)齊增加了制造加工難度，因此本公司最終研制了雙進(jìn)氣錯(cuò)位風(fēng)機(jī)。樣機(jī)測(cè)試時(shí)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口有軸套和支架，造成了一定的氣動(dòng)損失。從圖13和圖14中可看出，風(fēng)機(jī)全壓和效率的理論值都大于實(shí)測(cè)值（概念設(shè)計(jì)理論計(jì)算時(shí)未考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)出口軸套和支架等影響），優(yōu)化后風(fēng)機(jī)計(jì)算最高效率為81.34%，而實(shí)測(cè)值為78.2%，降低了3.1個(gè)點(diǎn)。

優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)總體效率高于原始風(fēng)機(jī)，效率提高了11.2個(gè)點(diǎn)（原模型最高效率67%）。從全開(kāi)流量到16 000m3/h工況區(qū)間內(nèi)，原模型和優(yōu)化后模型基本差不多，但是在16 000m3/h以下的小流量區(qū)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)壓力開(kāi)始回落。

蝸殼型線設(shè)計(jì)采用Pfleiderer法，通過(guò)圓蝸殼改成方蝸殼，蝸殼型線相對(duì)比較大，風(fēng)機(jī)體積大，耗費(fèi)的材料多，成本上升。盡管用此方法設(shè)計(jì)蝸殼氣動(dòng)性能較好，但從風(fēng)機(jī)安裝空間和成本方面的考慮，該公司暫未批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)原風(fēng)機(jī)模型的CFD計(jì)算，分析流場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中存在比較大的“射流-尾跡”結(jié)構(gòu)，造成一定的氣動(dòng)損失。在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算了單進(jìn)氣單葉輪模型、雙進(jìn)氣葉片對(duì)齊及葉片錯(cuò)位三個(gè)模型，分析這三個(gè)模型內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律及氣動(dòng)性能規(guī)律，為雙進(jìn)氣離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供方向。CFD的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。

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：本文以對(duì)雙進(jìn)氣離心式通風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以單進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)模型、雙進(jìn)氣葉片對(duì)齊離心風(fēng)機(jī)模型及雙進(jìn)氣葉片錯(cuò)位離心風(fēng)機(jī)模型為研究對(duì)象，用CFX軟件分析三個(gè)模型的流場(chǎng)分布，并計(jì)算其流量、全壓和效率關(guān)系，研究其流場(chǎng)分布。本文提供了雙進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

CFD；雙進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)；單進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)；流場(chǎng)分析

Design and Optim ization of a Double In let for a High Efficiency Cen trifuga l Fan

Zhang Qi,Shao Zhun-yuan,Xu Shu-jun/Zhe Jiang ShangFeng IndustrialHoldingsCo.,Ltd.

CFD;double inlet centrifugal fan;single inlet centrifugal fan;flow field analysis

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）06-0057-06

10.16492/j.fjjs.2016.06.0042

2016-04-20浙江紹興312300

Abstract:This paper provides a basic design method for a double inlet centrifugal fan.For the optimization of the design of the double inlet centrifugal fan,a single inlet centrifugal fan model,a double inlet with aligned blades fan model and double inlet with blade dislocations fan model are analyzed with respect to the flow distribution,total pressure and efficiency by using the CFX software for the threemodels.