基于正交試驗(yàn)設(shè)計的離心風(fēng)機(jī)多因素優(yōu)化研究

張 波，呂玉坤

1 前言

離心風(fēng)機(jī)是火電廠的重要輔機(jī)，是僅次于泵的耗電大戶［1］，其耗電量約占發(fā)電機(jī)組發(fā)電量的1.5%～3%，占廠用電的25%～30%［2］。因此，研究和改造風(fēng)機(jī)，提高其性能，對火電廠的節(jié)能增效具有重要意義。

國內(nèi)外對離心風(fēng)機(jī)的研究多集中于葉輪和蝸殼結(jié)構(gòu)，而對蝸殼型線的優(yōu)化、葉輪與蝸殼之間軸向相對位置及徑向相對位置的研究不多。黃東濤、張建、王建等對葉片通流部分進(jìn)行了改造［3～5］。Dawes、Nursen、楊靜等研究了蝸殼內(nèi)部的三維旋轉(zhuǎn)流動［6～8］。區(qū)穎達(dá)、呂玉坤等研究得出了合適的蝸舌間隙，可較好地降低泄漏損失和噪聲［9，10］。宋寶軍、程博利用數(shù)值模擬手段，分別對蝸殼寬度和蝸殼型線優(yōu)化，提高了風(fēng)機(jī)效率和全壓［11,12］。鄭金等提出多種節(jié)能改造方案，增壓風(fēng)機(jī)節(jié)電效果顯著［13］。因此，耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素，探尋最優(yōu)耦合方案，就有可能提高風(fēng)機(jī)性能。

本文以G4-73№8D型離心風(fēng)機(jī)為研究對象，在蝸殼型線優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計方法耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素［14］，利用Fluent數(shù)值模擬軟件，對耦合風(fēng)機(jī)的內(nèi)部三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其蝸殼內(nèi)部流動特性，以提高風(fēng)機(jī)性能。

2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計是利用正交性原理編制并已標(biāo)準(zhǔn)化的正交表，科學(xué)安排試驗(yàn)方案，得到的試驗(yàn)結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行處理，使之得出科學(xué)結(jié)論。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

探索基于蝸殼型線優(yōu)化，耦合蝸殼寬度A、蝸舌間隙B、葉輪軸向相對位置C（葉輪后盤與蝸殼后端的間距）三因素后，離心風(fēng)機(jī)全壓與效率都提升的方案。

2.2 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)因素為蝸殼寬度A、蝸舌間隙B、葉輪軸向相對位置C，通過文獻(xiàn)可知因素水平。選擇因素水平如表1所示。選用正L9（34）交表，確定試驗(yàn)方案如表2所示。正交表安排試驗(yàn)，理論試驗(yàn)方案 9 組：A1B1C3、A2B1C1、A3B1C2、A1B2C2、A2B2C3、A3B2C1、A1B3C1、A2B3C2、A3B3C3；由于計算周期及模型建立耗時較長，本文實(shí)際選取G4-73原風(fēng)機(jī)、A1B3C1（型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)）、A3B3C3（耦合風(fēng)機(jī)）3組試驗(yàn)方案。

表1 因素水平

表2 試驗(yàn)方案

3 幾何結(jié)構(gòu)的對比和數(shù)值方法

3.1 原風(fēng)機(jī)和蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)對比

蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)減小了小旋轉(zhuǎn)角處的蝸殼型線半徑，增加了大旋轉(zhuǎn)角處的蝸殼型線半徑，其與原風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)對比，如圖1所示。

圖1 原風(fēng)機(jī)與蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

3.2 原風(fēng)機(jī)和蝸殼寬度優(yōu)化風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)對比

根據(jù)文獻(xiàn)［11］計算得到，當(dāng)G4-73№8D型離心風(fēng)機(jī)葉輪前盤與蝸殼前端面間的距離減小20mm，葉輪后盤與蝸殼后端面間的距離增加40mm時，與原風(fēng)機(jī)相比，風(fēng)機(jī)效率和全壓得到較大幅度提高，其與原風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)對比，如圖2所示。

圖2 原風(fēng)機(jī)與蝸殼寬度優(yōu)化風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

3.3 數(shù)值方法

3.3.1 網(wǎng)格劃分

本文將風(fēng)機(jī)模型分為集流器、葉輪、蝸殼及進(jìn)口延長段4個流動區(qū)域，對風(fēng)機(jī)葉輪和風(fēng)機(jī)蝸殼采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而集流器和進(jìn)口延長段采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格總數(shù)約為220萬個，如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)網(wǎng)格示意

3.3.2 邊界條件設(shè)置

（1）進(jìn)口邊界條件：以進(jìn)口延長段進(jìn)口作為速度進(jìn)口，進(jìn)氣方向?yàn)檩S向，速度大小是18 m/s，溫度是293 K。

（2）出口邊界條件：蝸殼出口設(shè)置為壓力出口，出口靜壓為1.675kPa。

（3）壁面邊界條件：風(fēng)機(jī)模型包含旋轉(zhuǎn)的動邊界和靜止的靜邊界，將整個計算域劃分成定子和轉(zhuǎn)子2個子區(qū)域［15～20］。旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止蝸殼之間的耦合采用多參考坐標(biāo)系模型（簡稱MRF）。先設(shè)置轉(zhuǎn)子和靜子的交界面，然后設(shè)置對應(yīng)實(shí)體的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)壁轉(zhuǎn)速為1450 r/min非旋轉(zhuǎn)壁面為0。

4 計算結(jié)果分析

4.1 蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)結(jié)果分析

以風(fēng)機(jī)的全壓和效率作為衡量改造方案優(yōu)劣的指標(biāo)。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速（1450 r/min），分別對蝸殼型線優(yōu)化和原風(fēng)機(jī)在負(fù)荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%5個工況下進(jìn)行數(shù)值計算，并對改造風(fēng)機(jī)的全壓和效率與原風(fēng)機(jī)的全壓和效率進(jìn)行比較，如圖4，5所示。

圖4 型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)的全壓對比

圖5 型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)的效率對比

表3為型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)相對于原風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)負(fù)荷為65%～110%內(nèi)的全壓和效率的平均增長值。

表3 全壓和效率的平均增長值

從圖4、5和表3可以看出：在負(fù)荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況下，型線優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓和效率較原風(fēng)機(jī)都提高了；從總體上，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)比較，全壓平均提高57.3 Pa，相對提高了3.64%，效率平均提高了2.81%。

4.2 耦合風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速（1450 r/min），分別對原風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)負(fù)荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況下進(jìn)行數(shù)值計算，并對耦合風(fēng)機(jī)的效率和全壓與原風(fēng)機(jī)的效率與全壓進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6，7所示。表4為耦合風(fēng)機(jī)相對于原風(fēng)機(jī)在風(fēng)機(jī)負(fù)荷為65%～110%內(nèi)的效率和全壓的平均增長值。從圖6，7和表4可以看出：在負(fù)荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況中，65%負(fù)荷的工況下，耦合風(fēng)機(jī)較原風(fēng)機(jī)，全壓和效率略微下降，其它負(fù)荷下耦合風(fēng)機(jī)的全壓和效率都提高了；從總體上，耦合風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)比較，全壓平均提高32.5 Pa，相對提高了2.07%，效率平均提高了1.36%。

圖6 耦合風(fēng)機(jī)和原風(fēng)機(jī)的全壓對比

圖7 耦合風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)的效率對比

表4 全壓和效率的平均增長值

4.3 耦合風(fēng)機(jī)內(nèi)流場分析

圖8為原風(fēng)機(jī)、型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)的全壓對比云圖。

圖8 3種風(fēng)機(jī)全壓云圖

從圖上可以看出，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)蝸殼區(qū)域內(nèi)全壓得到很大提高，主要是由于型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)都減小了蝸舌間隙，增加了蝸殼的擴(kuò)壓區(qū)域，從而提高了風(fēng)機(jī)全壓

圖9所示為原風(fēng)機(jī)、型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)的靜壓對比云圖，從圖上可以看出，在葉輪內(nèi)，靜壓沿半徑方向是逐漸增大的；在蝸殼通道中，靜壓隨蝸殼半徑的增大亦增大，這表明速度在迅速減小，動能轉(zhuǎn)化為壓力能。在原風(fēng)機(jī)的L處，存在壓力較低的區(qū)域，其形成是因?yàn)閺娜~輪出來的高速氣流沒有蝸殼環(huán)壁阻擋，不能馬上減速擴(kuò)壓，而是通過一個緩慢過程減速升壓，從而該處壓力相對較低；另外，由于蝸殼出口通流截面積較小，導(dǎo)致速度增加，從而降低了靜壓。原設(shè)計蝸殼通流面積較窄小，而優(yōu)化后風(fēng)機(jī)蝸殼通流面積變寬，氣流在蝸殼通道出口處加速不明顯，低壓區(qū)L也就縮小了。

圖9 3種風(fēng)機(jī)靜壓云圖

圖10所示為原風(fēng)機(jī)、型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)的速度對比云圖，從圖上可以看出原風(fēng)機(jī)在蝸殼出口處流場較為混亂，低壓區(qū)域處的速度較高，此處部分壓能轉(zhuǎn)化為動能。比較型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)和耦合風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)出口速度場分布均勻。

圖10 3種風(fēng)機(jī)速度云圖

4.4 性能曲線分析

由圖11可看出，當(dāng)相對流量在27%～110%之間時，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的全壓整體高于原風(fēng)機(jī)。在相對流量為27%～65%時，耦合風(fēng)機(jī)全壓高于型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)；當(dāng)相對流量大于65%時，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)全壓高于耦合風(fēng)機(jī)，較原風(fēng)機(jī)提高3.61%，較耦合風(fēng)機(jī)提高1.54%。

圖11 3種風(fēng)機(jī)全壓曲線

由圖12可看出，當(dāng)相對流量在27%～110%之間時，優(yōu)化風(fēng)機(jī)的靜壓亦整體高于原風(fēng)機(jī)。在相對流量為27%～65%時，耦合風(fēng)機(jī)靜壓高于型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)；當(dāng)相對流量大于65%時，耦合風(fēng)機(jī)靜壓和型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)靜壓相差不大。

圖12 3種風(fēng)機(jī)靜壓曲線

由圖13可以看出，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行型線優(yōu)化和耦合優(yōu)化改造，在相對流量處于30%～110%之間時，兩種優(yōu)化蝸殼后的風(fēng)機(jī)，效率較原風(fēng)機(jī)整體提高。當(dāng)相對流量為22%～40%時，耦合風(fēng)機(jī)的效率高于型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)。

圖13 3種風(fēng)機(jī)效率曲線

綜合圖11～13，在小流量工況下，耦合風(fēng)機(jī)的全壓、靜壓、效率高于原風(fēng)機(jī)和蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)，因而，變工況能力更強(qiáng)；當(dāng)相對流量處在40%～110%之間時，耦合風(fēng)機(jī)與型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)較原風(fēng)機(jī)，全壓、靜壓、效率都提高，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)提高的更多，因而，此段負(fù)荷區(qū)間，蝸殼型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)變工況能力更強(qiáng)。

圖14為3種風(fēng)機(jī)軸功率曲線。由圖14可以看出，隨著流量的增大，兩種風(fēng)機(jī)的軸功率也隨之增大，且優(yōu)化風(fēng)機(jī)功率均小于原風(fēng)機(jī)；相對流量處在22%～30%時，耦合風(fēng)機(jī)軸功率小于型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)；當(dāng)相對流量處于30%～110%時，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)軸功率小于耦合風(fēng)機(jī)。從風(fēng)機(jī)運(yùn)行耗電量來考慮，小流量運(yùn)行時，耦合風(fēng)機(jī)較為節(jié)能；而在大流量運(yùn)行時，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)相對節(jié)能。

圖14 3種風(fēng)機(jī)軸功率曲線

5 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)設(shè)計方法耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素，為離心風(fēng)機(jī)優(yōu)化研究提供借鑒意義。

（2）當(dāng)風(fēng)機(jī)負(fù)荷處于65%～110%之間，型線優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓和效率較原風(fēng)機(jī)都提高了，全壓平均提高57.3Pa，相對提高3.64%，效率平均提高2.81%；耦合風(fēng)機(jī)在65%負(fù)荷的工況下，較原風(fēng)機(jī)，全壓和效率略微下降，其它負(fù)荷下耦合風(fēng)機(jī)的全壓和效率較原風(fēng)機(jī)都提高了，全壓平均提高32.5Pa，相對提高2.07%，效率平均提高1.36%。

（3）在小流量工況下，耦合風(fēng)機(jī)變工況能力更強(qiáng)，其它工況下，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)變工況能力較強(qiáng)。從風(fēng)機(jī)運(yùn)行耗電量來考慮，小流量運(yùn)行時，耦合風(fēng)機(jī)較為節(jié)能；而在大流量運(yùn)行時，型線優(yōu)化風(fēng)機(jī)相對節(jié)能。

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