邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 楊笑梅 任華江
(浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司)
Zhun-yuan ShaoXiao-Mei YangHua-jiang Ren
(ZheJiangShangFeng Special Blower Industrial Co.,Ltd)
新型高效5-29離心通風(fēng)機(jī)模型開發(fā)
邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 楊笑梅 任華江
(浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司)
基于風(fēng)機(jī)行業(yè)多年前聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的5-29離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù),設(shè)計(jì)出新型5-29離心通風(fēng)機(jī)。通過(guò)Solidworks軟件建模,CFX軟件進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算分析,調(diào)整了b1/D1值、葉片出口角、蝸殼寬度等參數(shù)。優(yōu)化后的最終風(fēng)機(jī)模型,流場(chǎng)中邊界層分離和環(huán)流損失均較小。具有效率高、高效運(yùn)行區(qū)寬廣、性能曲線平坦等特點(diǎn)。CFD計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合,實(shí)測(cè)最高效率高達(dá)85.2%,高出國(guó)家一級(jí)能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)6.2%。
數(shù)值模擬;優(yōu)化設(shè)計(jì);模型開發(fā);5-29;離心通風(fēng)機(jī);高效風(fēng)機(jī)
離心通風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化工、冶金及建筑通風(fēng)等多個(gè)領(lǐng)域。目前,絕大部分企業(yè)生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)難以達(dá)到一級(jí)能效,甚至有相當(dāng)一部分風(fēng)機(jī)達(dá)不到三級(jí)能效[1]。在通風(fēng)系統(tǒng)中,能耗普遍偏大,其原因主要有3個(gè)方面:1)風(fēng)機(jī)本身效率低;2)管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,存在較大的能量損失。并且還導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)出口流場(chǎng)品質(zhì)變差,影響風(fēng)機(jī)性能的正常發(fā)揮;3)風(fēng)機(jī)的性能和管網(wǎng)特性不匹配,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在低效率區(qū)運(yùn)行[2]。風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)中的心臟[3],也是影響能耗的決定性因素,有必要對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),提高效率,降低能耗。
離心通風(fēng)機(jī)的能量損失主要有4個(gè)方面,分別為流動(dòng)損失、容積損失、軸承摩擦損失和輪盤損失[4]。其中流動(dòng)損失是最主要的損失,其根源在于氣體的黏性。流動(dòng)損失可分為邊界層摩擦損失和旋渦損失。隨著葉輪旋轉(zhuǎn),通常在葉片吸力面附近,容易產(chǎn)生低能流“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)性能產(chǎn)生不良影響,進(jìn)而風(fēng)機(jī)全壓和效率都會(huì)有所降低[5]。
文獻(xiàn)[6],通過(guò)三維數(shù)值模擬對(duì)離心通風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口角、葉片數(shù)和葉片進(jìn)口寬度比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并分析其對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。研究表明:優(yōu)化值和傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很大差別,這些參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響也很大。Chen S Y等[7]對(duì)離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配較好。該文詳細(xì)分析了邊界層分離和二次流現(xiàn)象。
行業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)的5-29風(fēng)機(jī)效率較低,本文根據(jù)其氣動(dòng)參數(shù),設(shè)計(jì)出新型高效5-29離心風(fēng)機(jī)。首先對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),然后基于CFD技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)分析,最后提出優(yōu)化方案。調(diào)整了b1/D1值,葉片出口角,蝸殼寬度及蝸舌等。目的是設(shè)計(jì)出效率高,高效運(yùn)行區(qū)寬,性能曲線平坦的離心風(fēng)機(jī),以對(duì)老的產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5-29離心通風(fēng)機(jī)在葉輪直徑630mm,轉(zhuǎn)速為2 930r/min時(shí),其最高效率點(diǎn)流量為5 423m3/h,全壓為6 182Pa。根據(jù)以上參數(shù),重新設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)(見圖1),初步概念設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)幾何尺寸如下:
1)葉輪直徑D2=630mm,葉輪輪蓋進(jìn)口直徑Ds= 244.7mm,葉輪進(jìn)口寬度與進(jìn)口直徑比值b1/D1=0.3;
2)葉片出口角β2=36.5°,葉片數(shù)為12;
3)蝸殼寬度B=202.8mm。
圖1 三維氣動(dòng)幾何圖Fig.1 3D aerodynamic model
2.1 模型處理及網(wǎng)格劃分
在Solidworks完成氣動(dòng)設(shè)計(jì),模型考慮徑向間隙對(duì)模型的影響,采用相對(duì)坐標(biāo)系對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件通過(guò)交界面進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換。模型中葉輪、徑向間隙及蝸舌對(duì)氣動(dòng)產(chǎn)生重大影響,因此對(duì)這些部件均進(jìn)行特殊加密。為了防止進(jìn)出口流場(chǎng)的不穩(wěn)定性,將風(fēng)機(jī)進(jìn)出口都加以適當(dāng)延長(zhǎng)。采用幾何適配性較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)為450萬(wàn),網(wǎng)格質(zhì)量基本為0.4以上,見圖2。
圖2 模型網(wǎng)格及網(wǎng)格質(zhì)量圖Fig.2 Model grid and grid quality
2.2 計(jì)算模型的建立
湍流模型對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果有著至關(guān)重要的影響,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,分離渦模擬(DES)及大渦模擬(LES)逐漸得到重視,但由于兩者的計(jì)算量巨大,因此工程應(yīng)用中還相對(duì)較少[8],雙方程在工程應(yīng)用中更加合適。常用的雙方程模型有k-ε及k-ω模型,k-ε模型能夠較好的模擬遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的湍流流動(dòng),在近壁面處會(huì)存在一些問(wèn)題。而k-ω可以克服k-ε模型的諸多弱點(diǎn),如不能準(zhǔn)確模擬逆壓流動(dòng),在粘性底層中的計(jì)算存在數(shù)值困難等。但是k-ω模型對(duì)自由流的ω值非常敏感,為了消除這種敏感性,Menter提出了剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)k-ω模型[9],該模型通過(guò)k-ε和k-ω模型加權(quán)平均的方式組合,在壁面處采用k-ω模型,在遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用k-ε模型。SST模型在工程應(yīng)用中具有計(jì)算精度高、收斂快、魯棒性好等特點(diǎn),因此本文采用SST對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。
把網(wǎng)格導(dǎo)入CFX中進(jìn)行計(jì)算,為了保證計(jì)算精度,首先對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬,以穩(wěn)態(tài)模型為初始條件,進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。計(jì)算模型見圖3,穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算設(shè)置如下:
計(jì)算分析類型為穩(wěn)態(tài)(steady state);湍流模型采用SST模型;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 930r/min;
邊界條件:進(jìn)口選用全壓;出口選用流量;固體壁面采用無(wú)滑移光滑壁面,壁面函數(shù)為Scalable;交界面模型采用常規(guī)連接(General Connection),坐標(biāo)變換模型采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子算法(Frozen Rotor),網(wǎng)格連接方式采用GGI;
數(shù)值算法:對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率法(HighResolution),湍流數(shù)值算法采用一階格式(First order)。
穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果的收斂性和穩(wěn)定性,影響后續(xù)的瞬態(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,判別計(jì)算是否已經(jīng)收斂:
1)模型殘差(RMS)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn);2)計(jì)算物理參數(shù)(特別是敏感物理參數(shù))基本無(wú)變化,趨于穩(wěn)定;3)進(jìn)出口質(zhì)量差0.5%以下[10]。
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。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,以穩(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)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)是根據(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。
圖3 計(jì)算模型圖Fig.3 Calculation model
3.3 流場(chǎng)分析
圖4為風(fēng)機(jī)徑向平面流場(chǎng)圖,流道中有比較大的邊界層分離,存在“射流-尾跡”結(jié)構(gòu),堵塞流道,氣流倒流,影響全壓和效率。
圖4 徑向流場(chǎng)圖Fig.4 Radial flow field
圖5為軸向流場(chǎng)圖,氣體流動(dòng)相對(duì)比較復(fù)雜。徑向間隙處的速度梯度較大,有比較強(qiáng)的環(huán)流,氣流重新流入葉輪進(jìn)口,形成一定的容積損失。蝸殼內(nèi)存在旋流;葉輪內(nèi)存在較大的分離流。這些因素都會(huì)影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。
圖5 軸向流場(chǎng)圖Fig.5 Axial flow field
圖6和圖7分別為軸向和徑向壓力分布圖。圖6顯示軸向壓力分布總體上外面大,中間小,其中徑向間隙處壓力最小,這也是引起徑向間隙環(huán)流的根本原因。圖7顯示徑向壓力分布總體上也是外面大,中間小。壓力分布圖對(duì)稱性較差。
圖6 軸向壓力分布圖Fig.6 Axial pressure distribution
圖7 徑向壓力分布圖Fig.7 Radial pressure distribution
圖8為風(fēng)機(jī)的流量和全壓、效率曲線圖,設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量為5 423m3/h,全壓6 182Pa。從圖8中可以看出,總體上,流量和壓力滿足設(shè)計(jì)要求。風(fēng)機(jī)最高效率為77.5%,效率較低,需進(jìn)一步優(yōu)化。
圖8 模型氣動(dòng)性能曲線圖Fig.8 Aerodynamic performance curve of model
從3.3可得,風(fēng)機(jī)性能總體上滿足設(shè)計(jì)要求,但效率較低,未達(dá)到一級(jí)能效(根據(jù)GB19761-2009通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11],6.3號(hào)5-29風(fēng)機(jī)一級(jí)能效限值為79%),需進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。
4.1 方案1——調(diào)整b1/D1
調(diào)整進(jìn)口寬度b11和進(jìn)口直徑D1的比值,即調(diào)整b1/D1值;原來(lái)的b1/D1=0.3,b1/D1值從0.3~0.42,每隔0.02計(jì)算一個(gè)模型,擇優(yōu)選取,經(jīng)研究表明,對(duì)于此模型,b1/D1值0.4氣動(dòng)效果最好;同時(shí),局部修改蝸舌,出口改為擴(kuò)壓形式(圖9)。保持其他氣動(dòng)幾何參數(shù)不變,進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算分析。
圖9 原始葉片和調(diào)整后葉片圖Fig.9 Original blade and improved blade
通過(guò)計(jì)算分析,此方案的最高效率點(diǎn)流量為5529m3/h,全壓為6 533Pa。壓力較初步設(shè)計(jì)模型有所上升,最高點(diǎn)效率為79.7%,提高了2.2%,已達(dá)到一級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 方案1流場(chǎng)圖Fig.10 Flow field in case1
從圖10中看出,葉輪流道中的邊界層分離,現(xiàn)在并未得到徹底改善,還有很大的優(yōu)化空間。另,計(jì)算得到的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)壓力6 533Pa較原5-29風(fēng)機(jī)的壓力6 182Pa大。為了改善流道內(nèi)的流動(dòng)情況,設(shè)想增加葉片數(shù),以減少葉片柵距。通過(guò)計(jì)算分析表明,增加葉片數(shù)或葉輪流道中增設(shè)小葉片,盡管壓力有所上升,但效率反而下降(CFD計(jì)算過(guò)程略)而放棄。進(jìn)而嘗試了通過(guò)減小出口角來(lái)提高效率(方案1的壓力6 533Pa相對(duì)于設(shè)計(jì)壓力6 182Pa還有足夠余量),消除流道中邊界層分離,回收二次流所導(dǎo)致的壓力損失的方案。即,提出方案2。
4.2 方案2——調(diào)整出口角
方案2保持其他所有氣動(dòng)幾何參數(shù)不變,把葉片出口角從原來(lái)的36.5°,分別調(diào)整為34°,32°,30°,28°(單圓弧)及多段弧32°(以延長(zhǎng)流道)等5個(gè)修改方案,并分別進(jìn)行計(jì)算分析。由于是微調(diào)出口角,其他幾何參數(shù)不變,風(fēng)機(jī)的全開流量基本差不多(見表1),最高效率點(diǎn)也在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近,因此為了減少計(jì)算量,盡快得到最優(yōu)出口角模型,實(shí)際計(jì)算的工況點(diǎn)按設(shè)計(jì)工況點(diǎn)前后5%全開流量梯度進(jìn)行計(jì)算。
表1 各個(gè)出口角模型設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近氣動(dòng)性能表Tab.1 Aerodynamic performance of different outlet angle model in the design condition
當(dāng)出口角28°時(shí),壓力比設(shè)計(jì)工況點(diǎn)略微偏低。制作樣機(jī)時(shí),無(wú)足夠的設(shè)計(jì)余量,因此不采納。相比單圓弧出口角32°及多弧線組合32°方案,雖然它們的出口角都是一樣,但多弧組合時(shí),流道長(zhǎng),壓力下降過(guò)快,也不采納。從中可以看出,盡管所有氣動(dòng)幾何參數(shù)都一樣(包括進(jìn)口角、出口角、蝸殼型線、蝸殼寬度等),但是當(dāng)后向葉片流道變長(zhǎng)時(shí),壓力偏小。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為5 423m3/h,6182Pa,而出口角30°模型,流量為5529m3/h,全壓為6 241Pa,效率也不低,因此采納該方案。
原5-29№6.3風(fēng)機(jī),轉(zhuǎn)速為2 930r/min時(shí),全開最大流量為7 600m3/h。雖然設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)模型氣動(dòng)參數(shù)能覆蓋原5-29風(fēng)機(jī),但是設(shè)計(jì)模型的全開流量為10 060m3/h,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)型。同時(shí)從模型的流線圖中可看出,葉輪前盤和蝸殼上表面之間還存在很大的旋流(見圖11),而產(chǎn)生較大的能量損失。因此在方案2的基礎(chǔ)上,又提出方案3。即壓縮蝸殼寬度B值,共縮短1/3。
圖11 出口角30°模型流線圖Fig.11 Model with outlet angle 30°
4.3 方案3——調(diào)整蝸殼寬度B
在方案2的基礎(chǔ)上,保證其他氣動(dòng)幾何參數(shù)不變,修改蝸殼寬度,縮短1/3,通過(guò)圓弧連接蝸殼上表面。設(shè)計(jì)示意圖見圖12。
圖12 方案3設(shè)計(jì)示意圖Fig.12 Design case3
從表2中可以看出,方案3相對(duì)于方案2中的30°出口角模型,計(jì)算最高效率提高了1.3%,為86.1%。這是因?yàn)槲仛挾瓤s小,減少了葉輪前盤和蝸殼上壁面之間的環(huán)流損失的緣故。蝸殼寬度縮短1/3,也會(huì)減少風(fēng)機(jī)的空間尺寸和成本。
表2 方案3氣動(dòng)參數(shù)表Tal.2 Aerodynamic performance in case 3
圖13為初步模型、方案1、方案3的氣動(dòng)性能曲線圖。方案3的全開流量為8 468m3/h,盡管稍大于原5-29的7 592m3/h,但相對(duì)于全開流量為10 060m3/h的初步模型、方案1、方案2,還是減少了很多??傊?,計(jì)算的方案3的總體性能與原5-29風(fēng)機(jī)基本上相一致,只是最高效率點(diǎn)稍微向小流量區(qū)偏移,其模型最高效率點(diǎn)流量5 043m3/h,全壓6551Pa(原5-29最高效率點(diǎn)為5423m3/h,6 182Pa)。
圖13 初步模型、方案1模型、方案3模型的氣動(dòng)性能曲線圖Fig.13 Aerodynamic performance of model original, case1 and case3
4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證
由圖14可看出,計(jì)算的全開流量略微偏大。這是因?yàn)闃訖C(jī)測(cè)試時(shí)選用了標(biāo)準(zhǔn)C型測(cè)試裝置(依據(jù)GB/ T1236-2000),而其測(cè)試管道里有格柵等,存在一定的壓力損失,但是理論計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮這一部分阻力的緣故,實(shí)測(cè)最高效率為85.2%,而計(jì)算最高效率為86.1%,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。風(fēng)機(jī)在小流量區(qū),無(wú)出現(xiàn)壓力回落現(xiàn)象,風(fēng)機(jī)無(wú)明顯失速區(qū)。風(fēng)機(jī)效率曲線較為平坦,效率大多在70%以上。
圖14 實(shí)測(cè)值和計(jì)算值氣動(dòng)性能對(duì)比圖Fig.14 Comparison of test data and numerical calculation
本文以原5-29風(fēng)機(jī)模型為設(shè)計(jì)對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)CFD計(jì)算分析,提出了優(yōu)化方案。通過(guò)流場(chǎng)分析,對(duì)風(fēng)機(jī)的b1/D1值、出口角β2、蝸殼寬度B等逐個(gè)進(jìn)行了線性優(yōu)化,最終獲取計(jì)算最高效率為86.1%,樣機(jī)實(shí)測(cè)驗(yàn)證為85.2%,計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合。研發(fā)的新型5-29模型,其氣動(dòng)性能與原5-29風(fēng)機(jī)基本上一致。而效率大幅度得到了提高,結(jié)構(gòu)變得緊湊。并且高效運(yùn)行區(qū)寬廣,在小流量區(qū)壓力無(wú)回落現(xiàn)象,運(yùn)行中無(wú)明顯失速區(qū)。
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Development of a New 5-29 Centrifugal Fan Model with High Energy Efficiency
In this paper,a new 5-29 centrifugal fan was designed which was used solidworkds software to built the fan model and CFX software to simulate the aerodynamic of fan.The new model have minor losses in separation boundary layer and circumfluence flow by adjusted the b1/D1value,the outlet angle of blade,the width of volute.The new fan model has high efficiency,wide running area and flat curves.The new fan efficiency 85.2%is higher 6.2%than standard of Chinese first stage energy efficiency.
CFD,optimization design,model development,5-29,centrifugal fan,high performance fan
TH432;TK05
1006-8155(2017)02-0013-06
A
10.16492/j.fjjs.2017.02.0003
Zhun-yuan ShaoXiao-Mei YangHua-jiang Ren
(ZheJiangShangFeng Special Blower Industrial Co.,Ltd)
2017-02-11 浙江 紹興 312352