Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)葉輪的高比轉(zhuǎn)速優(yōu)化設(shè)計研究

李 軒，王 維，盧金玲，羅興锜

（西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048）

0 引言

離心通風(fēng)機(jī)是用于輸送氣體的機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，尤其在礦山、冶金、石油、化工、航天航空和能源等領(lǐng)域，是工農(nóng)生產(chǎn)中主要的能耗設(shè)備之一［1-4］。因此，研究和改造離心通風(fēng)機(jī)，提高其氣動性能，對節(jié)能及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要影響。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，如某公司所使用的電解鋁排煙風(fēng)機(jī)，隨著對離心通風(fēng)機(jī)流量的需求不斷增大，使其遠(yuǎn)離原設(shè)計工況運(yùn)行，效率大大下降。當(dāng)設(shè)計流量增大的同時比轉(zhuǎn)速也會變大，而傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計上的高比轉(zhuǎn)速通風(fēng)機(jī)多為軸流式，考慮到場地、現(xiàn)場安裝以及成本等因素，將離心通風(fēng)機(jī)整體更換為軸流通風(fēng)機(jī)不符合節(jié)能減排的理念。故在原有蝸殼不變的前提下，開發(fā)高比轉(zhuǎn)速離心式葉輪更為經(jīng)濟(jì)可行。近些年，國內(nèi)外學(xué)者不斷對高比轉(zhuǎn)速離心葉輪進(jìn)行研 究［5-9］，開發(fā)高效的高比轉(zhuǎn)速離心葉輪成為工業(yè)節(jié)能減排的迫切需求。本研究中采用的風(fēng)機(jī)模型是基于Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)蝸殼不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整其葉輪參數(shù)而設(shè)計的。新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)主要解決了原風(fēng)機(jī)在大流量工況下運(yùn)行效率和全壓較低的問題，但其氣動性能仍有進(jìn)一步的提升空間。

葉輪作為通風(fēng)機(jī)的核心氣動部件，對整機(jī)的性能和效率有著重要的影響［10-15］，葉片又作為葉輪的主要組成部分，因而對葉型進(jìn)行研究不僅具有實(shí)際工程意義，也有較高的學(xué)術(shù)價值。Chen 等［16］基于4-72 離心通風(fēng)機(jī)模型，試驗(yàn)研究了不同葉片尾緣角度對風(fēng)機(jī)性能的影響，提高了風(fēng)機(jī)的效率。毛全有［17］采用數(shù)值模擬的方法對多翼式離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了分段優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)較原風(fēng)機(jī)效率提升了3.69%。當(dāng)前在離心通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用市場上，主要有板型葉片和翼型葉片2 種形式。一些研究者認(rèn)為翼型葉片在全壓、效率以及穩(wěn)定性上比相應(yīng)的板型葉片具有優(yōu)越 性［18-21］，但在不同的風(fēng)機(jī)模型上這一結(jié)論是否具有普遍性還有待驗(yàn)證。本文在新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)上選取了3 種不同葉型，并通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對其外部特性與內(nèi)部流場進(jìn)行分析，為高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計改造提供參考。

1 葉輪設(shè)計

為了反映離心通風(fēng)機(jī)的性能，用無量綱的流量系數(shù)φ、全壓系數(shù)ψ、靜壓系數(shù)ψst、效率η、比轉(zhuǎn)速ns和比直徑Ds來表達(dá)其主要性能參數(shù)之間的關(guān)系，各參數(shù)含義如下：

無量綱的流量系數(shù)φ為：

式中 φ ——風(fēng)機(jī)進(jìn)口體積流量，m3/s；

u2——葉輪外徑圓周速度，m/s。

無量綱全壓系數(shù)ψ為：

式中 p ——風(fēng)機(jī)全壓，Pa；

ρ ——介質(zhì)密度，kg/m3。

無量綱靜壓系數(shù)ψst為：

式中 pst——靜壓，Pa。

無量綱效率η為：

式中 N ——風(fēng)機(jī)軸功率，kW。

無量綱的比轉(zhuǎn)速ns為：

無量綱的比直徑Ds為：

比直徑直接反映出葉輪直徑的大小。隨著流量的增加，通風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速也不斷增大，比直徑 變小。

在Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)蝸殼不變的基礎(chǔ)上設(shè)計了高比轉(zhuǎn)速離心葉輪，高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)的幾何造型如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)幾何造型對比

與原通風(fēng)機(jī)相比，新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速葉輪減小了葉輪后盤長度以及葉輪外徑。同時為了優(yōu)化葉輪內(nèi)部流態(tài)，用半徑114 mm 的圓弧重新設(shè)計了葉輪前盤型線，因而葉輪入口寬度、葉輪葉片以及進(jìn)口集流器也發(fā)生了相應(yīng)的改變。

新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計流量為38 205.63 m3/h，設(shè)計轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，比轉(zhuǎn)速達(dá)到了120，葉輪的主要尺寸對比見表1。

表1 葉輪主要尺寸對比

2 試驗(yàn)裝置

分別對Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)和高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，性能試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理參照GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》［22］，試驗(yàn)裝置采用（C 型）進(jìn)氣試驗(yàn)裝置，如圖2 所示。氣流從大氣吸入試驗(yàn)裝置，經(jīng)進(jìn)氣管路流入葉輪，再由蝸殼排出大氣，流量和壓力在進(jìn)氣管路中測得，試驗(yàn)前對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)所用儀器及其參數(shù)見表2。

圖2 試驗(yàn)裝置示意

表2 測試采用儀器儀表

3 數(shù)值計算方法

3.1 計算模型

通過求解雷諾時均Navier-Stokes（RANS）方程對高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用ANSYS CFX 來求解離心通風(fēng)機(jī)的三維流場。根據(jù)離心風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況給定環(huán)境變量，進(jìn)口來流給定質(zhì)量流量（試驗(yàn)測得），出口給定靜壓邊界，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度耦合方程采用SIMPLEC 算法。風(fēng)機(jī)計算模型分為進(jìn)口集流器段、蝸殼和葉輪3部分，全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，各計算域之間通過交界面連接，網(wǎng)格如圖3 所示。從190 萬到570 萬分別采用了6 種不同數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行全流道模擬，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到485 萬后對計算結(jié)果影響很小，因此采用計算網(wǎng)格單元數(shù)為485 萬。

圖3 風(fēng)機(jī)全流道網(wǎng)格特征

3.2 計算結(jié)果驗(yàn)證

對比高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)性能的數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以觀察到，試驗(yàn)值與數(shù)值計算值較為接近。由于受于工藝的限制，葉輪在實(shí)際加工時尺寸會有一定的偏差，且在反復(fù)的試驗(yàn)中會產(chǎn)生一定的磨損，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行時葉輪與原設(shè)計葉輪在尺寸上產(chǎn)生一定誤差。雖然試驗(yàn)值與數(shù)值計算值有一定誤差，但曲線總體趨勢一致，試驗(yàn)結(jié)果證明了數(shù)值計算的可靠性。

圖4 數(shù)值計算值和試驗(yàn)值對比

4 結(jié)果及分析

4.1 氣動性能對比

在只更換葉輪的前提下，分別對原Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)與高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同葉輪外特性試驗(yàn)結(jié)果對比

對比試驗(yàn)結(jié)果可知，2 種葉輪的全壓基本隨著流量的增大而減小，效率均呈先增大后減小趨勢。原Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)最高效率為81.1%，將原始葉輪替換為高比轉(zhuǎn)速葉輪后，風(fēng)機(jī)最高效率點(diǎn)向大流量工況偏移，在最高效率點(diǎn)效率達(dá)到最高，為78.1%。與改進(jìn)前相比，雖然風(fēng)機(jī)的最高效率較原風(fēng)機(jī)下降了3%，但在設(shè)計的工作點(diǎn)處，高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)的全壓大于原風(fēng)機(jī)，同時效率提高了10%。新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)在大流量工況下整體性能優(yōu)于原風(fēng)機(jī)，效率和全壓均有提升。

4.2 流場分析

圖6 示出了不同離心通風(fēng)機(jī)中間葉高截面湍動能及近蝸舌處流道對比。從湍動能對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，原始離心通風(fēng)機(jī)的湍動能高于高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)，尤其在靠進(jìn)蝸舌處，出現(xiàn)了大面積的高湍動能區(qū)域。在高比轉(zhuǎn)速條件下，優(yōu)化設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼匹配性良好，無明顯的高湍動能區(qū)域，流動損失相對較小。為了進(jìn)一步分析蝸舌附近流態(tài)，圖6 示出了近蝸舌處速度流線分布放大。原始葉輪在近蝸舌流道，葉輪出口處產(chǎn)生了明顯的低速區(qū)和流動分離現(xiàn)象，在流道中間形成通道渦，而高比轉(zhuǎn)速葉輪無明顯的流動分離現(xiàn)象。這也說明了優(yōu)化設(shè)計的葉輪在高比轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行流態(tài)更好，效率可進(jìn)一步 提升。

圖6 中間葉高截面湍動能分布及近蝸舌流道速度流線分布

圖7 示出了設(shè)計工況中間葉高2 種離心通風(fēng)機(jī)葉片表面靜壓（Ps）分布。

圖7 中間葉高截面沿流向葉片表面靜壓分布

從圖7 中對比發(fā)現(xiàn)，高比轉(zhuǎn)速葉輪葉片壓力面和吸力面上的靜壓差值大于原始葉輪。這表明不同葉片對葉輪內(nèi)部流動影響較大，相比于原始葉輪，高比轉(zhuǎn)速葉輪整體氣動負(fù)荷較高，葉輪做功能力大，使得全壓高于原始葉輪。

圖8 示出了不同葉輪周向平均湍動能分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，原始葉輪在靠近前盤處出現(xiàn)了大面積的高湍動能區(qū)域，并向流道中央擴(kuò)散。該區(qū)域主要受前盤曲率影響，流體易發(fā)生邊界層分離引起，并逐漸向葉輪出口處擴(kuò)散，使得靠近葉輪前盤處的氣體流動發(fā)生紊亂。與原始葉輪相比，新設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速葉輪在靠近前盤處湍動能相對較弱，流動損失相對較小，在高比轉(zhuǎn)速工況下子午面流態(tài)優(yōu)于原始葉輪，這也使得效率有所提高。

圖8 不同葉輪子午面周向平均湍動能分布

5 不同葉型影響

為了研究不同葉型對高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)性能的影響，分別選取了板型葉片、翼型葉片和薄翼型葉片3 種不同葉型作為研究對象如圖9 所示，葉片的幾何參數(shù)見表3。

葉片相對厚度c 定義為：

式中 cmax——葉片的最大厚度，mm；

l ——葉片弦長，mm。

表3 葉片幾何參數(shù)

圖9 不同葉型幾何形狀

圖10 示出了3 種不同葉型離心通風(fēng)機(jī)外特性曲線。由圖可知，3 種葉型風(fēng)機(jī)的效率隨流量的增大呈先增后減趨勢，全壓隨著流量的增大而減小。在整個流量范圍內(nèi)，翼型風(fēng)機(jī)的全壓相對較低，板型風(fēng)機(jī)的全壓相對最大，只有在小流量工況下略低于薄翼型。兩種翼型葉片風(fēng)機(jī)的效率曲線趨勢較為接近，相比于板型葉片風(fēng)機(jī)，最高效率點(diǎn)向小流量工況偏移，其中薄翼型風(fēng)機(jī)的效率最高。但在設(shè)計流量（φ=0.295）下，板型風(fēng)機(jī)的效率最高，較薄翼型風(fēng)機(jī)效率提高了1%。

圖10 不同葉型離心通風(fēng)機(jī)外特性曲線對比

圖11 示出3 種不同葉輪氣流角沿出口相對位置的變化規(guī)律。從圖中可以看出，板型葉輪出口氣流角最大，翼型葉輪相對較小。從后盤側(cè)到葉輪中部，3 種葉型出口氣流角規(guī)律類似，由于受到前盤的影響，氣流角在前盤出口附近差異較大，其中翼型葉輪出口氣流角急劇減小。過小的出口氣流角導(dǎo)致氣體不能順利的流入蝸殼，從而削弱了葉輪的做功能力，使得翼型風(fēng)機(jī)的效率相對 較低。

圖11 不同葉輪周向出口氣流角分布

圖12 示出了翼型葉輪三維流線示意和3 種不同葉輪95%葉高處相對速度及流線分布。結(jié)合圖12 可知，葉道前盤側(cè)中部部分附面層和分離累積起來向葉輪出口處擴(kuò)散，在前盤與葉片尾緣吸力面處形成尾跡區(qū)，如圖12（a）所示。在95%葉高截面翼型葉輪流道內(nèi)分離現(xiàn)象較為嚴(yán)重，葉輪出口尾跡較大。尤其在270°附近，受尾跡影響，部分氣體出現(xiàn)回流，進(jìn)而影響附近區(qū)域氣流流動紊亂，造成流動阻塞。將葉片換成板型后，尾跡減小，說明了板型葉片可以減小葉輪出口處的流動損失，增大有效通流面積，從而提升風(fēng)機(jī)效率。

圖12 不同葉輪相對速度及流線分布

圖13 示出了設(shè)計點(diǎn)下不同葉型風(fēng)機(jī)中間葉高截面蝸殼湍動能分布。由圖可知，高湍動能區(qū)域主要集中在蝸殼及蝸殼出口延伸區(qū)域，其中板型葉輪與蝸殼匹配性較好，在風(fēng)機(jī)蝸殼延伸段的高湍動能區(qū)域相對較?。欢硇腿~片風(fēng)機(jī)高湍動能區(qū)域明顯較大，氣體在其蝸殼段損失嚴(yán)重。

圖13 不同風(fēng)機(jī)中間葉高截面蝸殼湍動能分布

6 結(jié)論

（1）本文在Y4-73 離心通風(fēng)機(jī)蝸殼不變的基礎(chǔ)上，通過修改葉輪外徑、葉片及葉輪前盤型線等優(yōu)化設(shè)計了新的高比轉(zhuǎn)速葉輪，結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果對其氣動性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計的高比轉(zhuǎn)速葉輪可有效的使離心通風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)向大流量工況偏移。盡管與改進(jìn)前相比，風(fēng)機(jī)最高效率點(diǎn)的效率比原風(fēng)機(jī)低3%，但在實(shí)際應(yīng)用的大流量設(shè)計工況下，效率卻提高了10%。高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計取得了很好的效果。

（2）在高比轉(zhuǎn)速條件下，優(yōu)化設(shè)計的葉輪與蝸殼匹配性更好，葉輪整體氣動負(fù)荷較高，做功能力強(qiáng)。在靠近蝸舌區(qū)域流動分離現(xiàn)象有所改善；在靠近葉輪前盤處，邊界層損失減小。

（3）結(jié)合數(shù)值模擬的方法對不同葉型對高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)并不是在所有離心通風(fēng)機(jī)模型上翼型葉片皆優(yōu)于板型葉片。在本文所使用的高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)模型中，雖然薄翼型風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)略高于板型，但在設(shè)計流量工況下，板型葉片風(fēng)機(jī)的全壓和效率皆高于薄翼型風(fēng)機(jī)，其中效率提高了1%。表明了在大流量工況下，板型葉片應(yīng)用在高比轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)機(jī)時氣動性能較翼型葉片具有一定的優(yōu)勢。

（4）板型葉片風(fēng)機(jī)葉輪出口氣流角較大，流道內(nèi)的流動分離減弱，尾跡損失小，從而使得葉輪內(nèi)通流面積增大，出口處的阻塞現(xiàn)象有所緩解，提升了葉輪的做功能力。當(dāng)氣體流入蝸殼后，蝸殼內(nèi)部的湍動能減弱，流動損失減小。