離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)泄漏流量分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

汪義玲

（南方風(fēng)機(jī)股份有限公司）

離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)泄漏流量分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

汪義玲

（南方風(fēng)機(jī)股份有限公司）

葉輪前盤與進(jìn)風(fēng)口之間的間隙導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)泄漏現(xiàn)象，是離心通風(fēng)機(jī)不可避免的一種損失。通過對高、中、低壓離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)泄漏流量進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)內(nèi)泄漏系數(shù)β內(nèi)明顯大于通常設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)范圍，所以設(shè)計(jì)計(jì)算中不應(yīng)忽略內(nèi)泄漏流量的影響。本文還建議用葉輪流量來計(jì)算與葉輪有關(guān)的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保得到更準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析結(jié)果。另外，工程實(shí)踐證明：通過加裝環(huán)狀密封彈片可以減小離心通風(fēng)機(jī)的內(nèi)泄漏損失，使不同類型的離心風(fēng)機(jī)效率分別提高1%～5%，且其結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝方便、運(yùn)行安全可靠，可以考慮在工業(yè)離心通風(fēng)機(jī)推廣應(yīng)用。

離心通風(fēng)機(jī)；內(nèi)泄漏；葉輪流量；節(jié)能

0 引言

風(fēng)機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)中耗電量較大的設(shè)備之一，為了提高風(fēng)機(jī)能效，許多研究者為此進(jìn)行了大量研究。其中多數(shù)研究集中于流動(dòng)情況相對復(fù)雜且對風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能影響較大的葉輪和機(jī)殼上。而對于進(jìn)風(fēng)口、機(jī)殼和葉輪前盤之間的三維空間區(qū)域的流場關(guān)注并不多[1]。實(shí)際上，該區(qū)域氣流旋渦造成的速度場和壓力場的變化將直接影響內(nèi)泄漏流量的大小，進(jìn)而影響到風(fēng)機(jī)的整體效率。

1 風(fēng)機(jī)內(nèi)泄漏現(xiàn)象

為了保證離心通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，靜止件進(jìn)風(fēng)口與高速旋轉(zhuǎn)的葉輪之間要留有一定的間隙，以下稱之為葉輪進(jìn)口泄漏間隙。由于存在間隙和壓差，氣體會(huì)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部形成如圖1所示的循環(huán)流動(dòng)。這部分循環(huán)氣體在葉輪內(nèi)接受葉輪葉片對其所做的功使壓力提高，然后從葉輪出口進(jìn)入葉輪前盤與機(jī)殼壁面之間的區(qū)域，再通過葉輪進(jìn)口泄漏間隙重新進(jìn)入葉輪。在回流過程中，循環(huán)氣體損失掉原來已經(jīng)提高的壓力，在葉輪中重新接受葉輪葉片做功。這種一直存在的循環(huán)流動(dòng)現(xiàn)象被稱為內(nèi)泄漏現(xiàn)象，產(chǎn)生的損失被稱為內(nèi)泄漏損失?？梢?，減少內(nèi)泄漏可以提高風(fēng)機(jī)效率。

圖1 內(nèi)泄漏示意圖Fig.1 Internal leakage diagram

為了減少內(nèi)泄漏損失，文獻(xiàn)[2]分析了風(fēng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)加裝兩種不同類型防渦圈的改善結(jié)果，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。據(jù)研究分析，A型防渦圈的內(nèi)泄漏量平均減小37.6%；而B型防渦圈的內(nèi)泄漏量平均減小45.6%，兩種防渦圈都大大減小了內(nèi)泄漏，且B型防渦圈的效果優(yōu)于A型。

圖2 加裝防渦圈結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)Fig.2 Fan with anti-vortex ring

這兩種防渦圈因懸臂長，裝配時(shí)又要保障進(jìn)風(fēng)口和防渦圈兩處與葉輪的配合關(guān)系，進(jìn)而增加了加工裝配難度和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，所以至今沒有應(yīng)用。

在風(fēng)機(jī)行業(yè)的通用產(chǎn)品中，已有部分系列的風(fēng)機(jī)（如：4-73、4-68、4-72）在進(jìn)風(fēng)口上加裝整流圈，其功能類似于防渦圈，也起到了一定的防渦旋作用，且方便裝配和保證安全運(yùn)行，工程應(yīng)用性強(qiáng)。加裝整流圈的進(jìn)風(fēng)口如圖3所示，整流圈的包絡(luò)空間沒有上述的防渦圈大，減小的內(nèi)泄漏量也有限，這種結(jié)構(gòu)一般用于機(jī)殼寬度比較大的大流量風(fēng)機(jī)中，風(fēng)機(jī)的實(shí)際效率都較高。

圖3 整流圈與防渦圈結(jié)構(gòu)的對比圖Fig.3 Comparison of fan with rectification ring anel anti-vortex ring

2 通風(fēng)機(jī)內(nèi)泄漏的流量分析

2.1 離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)通流部件的流量

本文中所說的流量，均指體積流量。圖4是離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)通流部件所通過流量的分析圖。圖中Qin表示進(jìn)入風(fēng)機(jī)的流量，Qout表示由風(fēng)機(jī)排出的流量，ΔQ內(nèi)和ΔQ外分別表示內(nèi)泄漏流量和外泄漏流量。

圖4 離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)通流部件的流量分析Fig.3 Flow analysis of individual flow components of centrifugal fan

從圖中看出，嚴(yán)格講，離心通風(fēng)機(jī)各個(gè)通流部件內(nèi)的流量是不一樣的。根據(jù)流量守恒定律，通過進(jìn)風(fēng)口的流量為Qin，通過葉輪的流量最大，為

通過蝸殼的流量則為Qout=Qin-ΔQ外。

一般離心通風(fēng)機(jī)的流量（通常用Q表示）是指進(jìn)氣風(fēng)量Qin，即Q=Qin，葉輪流量Q葉輪大于風(fēng)機(jī)流量Q。

2.2 內(nèi)泄漏流量在風(fēng)機(jī)流量中所占的比例

令 β內(nèi)=ΔQ內(nèi)/Q為內(nèi)泄漏系數(shù)，表示內(nèi)泄漏流量在風(fēng)機(jī)流量中所占的比例，式中，D1為葉輪進(jìn)口直徑，m；δ為葉輪進(jìn)口泄漏間隙，m；α為間隙邊緣收縮系數(shù)，一般取α=0.7；u2為葉輪外徑的圓周速度，m/s；Pˉ為通風(fēng)機(jī)的全壓系數(shù)。

泄漏量ΔQ內(nèi)=α*A*v。其中，α為間隙邊緣收縮系數(shù)，對于離心風(fēng)機(jī)吸進(jìn)口處的間隙，取α=0.7；A是指間隙處的泄漏面積，泄漏處是一個(gè)直徑為D1、間隙為δ的環(huán)形界面，A=π*D1*δ；v是泄漏速度，由風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的靜壓轉(zhuǎn)變?yōu)樾孤﹦?dòng)壓，于是，(1/2)*ρ*v^2=PS，其中，ρ是氣體密度，后向風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的靜壓評估為風(fēng)機(jī)全壓的PS=2/3P，前向風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)的靜壓評估為風(fēng)機(jī)全壓的PS=1/2P。得出：

與文獻(xiàn)[3]中推薦的內(nèi)泄漏流量公式一致。

按照上面公式，分別選擇前向高壓小流量通風(fēng)機(jī)9-19No10D、后向中壓中流量通風(fēng)機(jī)5-48No10D和后向低壓大流量通風(fēng)機(jī)4-73No10D以及4-73No5A通風(fēng)機(jī)的樣本性能進(jìn)行內(nèi)泄漏及內(nèi)泄漏系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 4種型號(hào)風(fēng)機(jī)的內(nèi)泄漏及內(nèi)泄漏系數(shù)計(jì)算值Tab.1 Internal leakage and internal leakage coefficient of 4 types of fan

計(jì)算中，葉輪進(jìn)口泄漏間隙δ分別按風(fēng)機(jī)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)間隙取值即理論間隙5mm，實(shí)際間隙8mm。根據(jù)風(fēng)機(jī)行業(yè)的常規(guī)制造工藝，提高安全轉(zhuǎn)動(dòng)需求的實(shí)際泄漏間隙δ取值多為8mm（工程中也存在更大間隙）。通過上表可以看出：泄漏間隙δ越大,風(fēng)機(jī)的內(nèi)泄漏系數(shù)β內(nèi)就越大；同型號(hào)風(fēng)機(jī)，隨著工作點(diǎn)壓力系數(shù)的增大,風(fēng)機(jī)的內(nèi)泄漏系數(shù)β內(nèi)也增大；對于同系列風(fēng)機(jī)，機(jī)號(hào)越小，內(nèi)泄漏系數(shù)β內(nèi)反而就越大；不同系列風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)越高，內(nèi)泄漏系數(shù)β內(nèi)就越大。

上表數(shù)據(jù)表明，所計(jì)算的4種風(fēng)機(jī)中，3種風(fēng)機(jī)在不同工況的平均內(nèi)泄漏系數(shù)都大于10%，而9-19系列風(fēng)機(jī)在個(gè)別運(yùn)行工況中內(nèi)泄漏系數(shù)甚至高達(dá)26.6%。因此在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算中內(nèi)泄漏流量不應(yīng)忽略或低估。

2.3 建議使用葉輪流量計(jì)算葉輪的有關(guān)參數(shù)

在離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中，經(jīng)常要對葉輪的做功能力進(jìn)行計(jì)算，其中后向葉輪的環(huán)流系數(shù)被經(jīng)常用到

式中，z是葉片數(shù)；β2A是葉片出口安裝角；c2r是葉片出口氣流絕對速度c2的徑向分速度。需要計(jì)算c2r值帶入求解。

在蝸殼設(shè)計(jì)中，為了更合理地確定蝸殼型線的螺旋角，要計(jì)算葉輪出口氣流絕對速度c2的方向角，也需要計(jì)算c2r。

另外，葉輪設(shè)計(jì)中確定葉片進(jìn)口安裝角時(shí)，為了減小或合理確定其進(jìn)口的氣流沖角，需要計(jì)算葉片進(jìn)口氣流相對速度w1的方向角。為此要準(zhǔn)確計(jì)算葉片進(jìn)口絕對速度c1的徑向分速度c1r。

根據(jù)上面分析，c2r，c1r的計(jì)算公式應(yīng)為：

式中，D1和 D2，b1和 b2，τ1和 τ2分別為葉片進(jìn)出口的直徑、寬度和阻塞系數(shù)，β外=ΔQ外/Q為外泄漏系數(shù)。

在使用上述公式計(jì)算葉輪葉片進(jìn)出口的徑向速度c1r和c2r時(shí)，目前比較常用的做法是選取泄漏系數(shù)（β內(nèi)+β外）=0.01～0.05，甚至存在完全忽略泄漏流量的影響，直接用風(fēng)機(jī)流量Q=Qout取代葉輪流量Q葉輪進(jìn)行計(jì)算的情況。根據(jù)上面分析，即使忽略外泄漏的影響，實(shí)際離心風(fēng)機(jī)的β內(nèi)也已明顯大于0.01～0.05。所以本文建議在進(jìn)行c1r和c2r的計(jì)算時(shí)，能夠依據(jù)實(shí)際情況對ΔQ內(nèi)或 β內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，使Q葉輪更符合實(shí)際，以期得到更準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析結(jié)果。

3 環(huán)狀密封彈性薄片結(jié)構(gòu)

由表1分析可以看出，減小泄漏間隙δ，β內(nèi)會(huì)降低。作者對進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了一種新的結(jié)構(gòu)嘗試，如圖5所示，在進(jìn)風(fēng)口外筒壁上加裝環(huán)狀密封彈性薄片。該彈片可以反彈內(nèi)泄漏的主氣流，改變了內(nèi)泄漏主渦旋的流動(dòng)方向，同時(shí)彈片與原進(jìn)風(fēng)口對葉輪前盤進(jìn)口形成了迷宮密封效果，理論上能有效阻止內(nèi)泄漏，提高風(fēng)機(jī)效率。

圖5 通風(fēng)口加裝環(huán)狀密封彈性薄片F(xiàn)ig.5 Inlet add ring seal elastic thin

密封彈片可采用薄薄的銅片、不銹鋼片、鋁合金片或有一定硬度的橡膠均可，按圖5環(huán)繞鉚接在進(jìn)風(fēng)口外壁上。密封彈片厚度很薄，金屬材料約0.1～0.3mm，有柔韌性，與葉輪進(jìn)口圈間的間隙δ’可以減小至1mm。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)葉輪與彈片即使發(fā)生摩擦?xí)r，也有向后塑變的能力和空間，幾乎沒有安全隱患。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，4-73No10C風(fēng)機(jī)使用該結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)口效率提高1%～2%；對于高壓力系數(shù)的9-19系列風(fēng)機(jī)，加裝密封彈片后效率能提高3%～4%。

該結(jié)構(gòu)比防渦圈及整流圈耗材少、制造方便，而其安裝定位可以通過進(jìn)風(fēng)口的相對位置來保證。但密封彈片在氣流沖擊和振動(dòng)的交變負(fù)荷的長期作用下，鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度、疲勞壽命、薄板的安全可靠性等需要經(jīng)驗(yàn)證后方可在各類離心風(fēng)機(jī)當(dāng)中推廣使用。

4 結(jié)論

1）由于離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部存在內(nèi)泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致葉輪流量大于風(fēng)機(jī)流量。而實(shí)際內(nèi)泄漏流量和內(nèi)泄漏系數(shù)明顯大于通常的預(yù)期和一般設(shè)計(jì)文獻(xiàn)的取值范圍。因此建議在離心通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算中不應(yīng)忽略內(nèi)泄漏流量的影響，并用葉輪流量來計(jì)算與葉輪有關(guān)的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保得到更準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和流動(dòng)分析結(jié)果。

2）環(huán)狀密封彈性薄片密封方案，結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝方便、運(yùn)行安全可靠，可以減小內(nèi)泄漏損失，使不同類型的離心通風(fēng)機(jī)效率分別提高1%～5%，有利于離心通風(fēng)機(jī)的節(jié)能應(yīng)用推廣。

[1]李新宏，何慧偉，宮武旗，等.離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)定常流動(dòng)數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，23（4）：453-456.

[2]李春曦，雷泳，王松嶺，等.離心風(fēng)機(jī)三維流場動(dòng)力學(xué)特性和泄漏損失特性研究[J].熱能動(dòng)力工程，2005，20（5）：517-520.

[3]李慶宜.通風(fēng)機(jī)[M].機(jī)械工業(yè)出版，1981.

Structure Improvement and Internal Leakage Flow Analysis for a Centrifugal Fan

Yi-ling Wang
（Nanfang Ventilator Co.,Ltd）

The leakage flow through the gap between the front disc of impeller and the inlet causes an efficiency loss and cannot be neglected in design calculations of centrifugal fans.The internal leakage flow of a high,middle and low pressure centrifugal fan are computed,to determine the internal leakage factor β exceeding the range of normal design.An impeller flow rate is recommended to calculate the aerodynamic and structural parameters of the impeller to ensure more accurate results for the fan design and flow field analysis.The engineering practice shows that the internal leakage loss can be reduced by adding an annular seal film,which allows to enhance the efficiency of a centrifugal fan of different type by 1%-5%.It has the advantage of a simple structure,convenient installation and safe operation,such that it can be considered to be used in industrial centrifugal fans.

centrifugal fan,internal leakage,impeller flow,energy saving

2017-06-14 廣東 佛山 528225

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0058-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0010