葉輪與蝸殼的相對(duì)位置對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的影響*

（華中科技大學(xué)）

0 引言

離心風(fēng)機(jī)應(yīng)用廣泛，其耗電量在工業(yè)生產(chǎn)中占了很大的比例[1]。因此，提高離心風(fēng)機(jī)的效率不僅直接關(guān)系著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，在節(jié)能減排方面也有著重要的意義。

離心風(fēng)機(jī)主要由葉輪、蝸殼、集流器等部件組成。國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前對(duì)離心風(fēng)機(jī)的研究多集中在對(duì)葉輪和蝸殼結(jié)構(gòu)的研究[2-4]，而對(duì)葉輪與蝸殼之間相對(duì)位置的研究還不夠深入，但是葉輪與蝸殼的相對(duì)安放位置對(duì)離心風(fēng)機(jī)的整體性能有著重要的影響[5-7]。楊昕等[8]發(fā)現(xiàn)葉輪中心與蝸殼幾何中心相重合的位置不是最佳位置；呂玉坤等[9]利用NUMECA軟件對(duì)改變風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼徑向相對(duì)位置的不同方案進(jìn)行數(shù)值模擬,確定了最佳葉輪中心位置，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼徑向適配性增強(qiáng)；李爍等[10]研究指出偏心葉輪可以有效減小葉輪部分葉道內(nèi)的旋渦，減少葉道內(nèi)的流動(dòng)分離，從而有效提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)噪聲。葉輪與蝸殼的軸向相對(duì)位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能也有著重要影響，宋寶軍[11]發(fā)現(xiàn)改變?nèi)~輪與蝸殼前、后端面間的距離可以較大幅度提高離心風(fēng)機(jī)的效率和全壓；蒲曉敏等[12]研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整葉輪與蝸殼前后端面的間距可以使多翼離心風(fēng)機(jī)的效率提高2.34%，靜壓提高3.61%，噪聲下降0.75dB；張波等[13]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對(duì)位置三因素，對(duì)一種離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[14]，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，研究葉輪與蝸殼的相對(duì)位置對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理，為離心風(fēng)機(jī)的節(jié)能減排提供參考。

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為一種后向離心風(fēng)機(jī)，其幾何模型如圖1所示，主要由葉輪、集流器、蝸殼三部分組成。葉輪外徑D2=500mm，葉片形狀為直板式，葉片進(jìn)出口安放角β1=β2=45°，葉片數(shù)Z=10。

圖1 風(fēng)機(jī)模型Fig.1 Model of fan

2 研究方法

2.1 計(jì)算模型和方法

如圖2所示，數(shù)值分析時(shí)將計(jì)算流域劃分為進(jìn)口延長(zhǎng)段、集流器、葉輪、蝸殼和出口延長(zhǎng)段五個(gè)部分，各個(gè)流域間通過(guò)interface連接。葉輪流域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其它部分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，保持交界面上的網(wǎng)格尺寸大小一致，對(duì)葉輪區(qū)域和蝸舌區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖3所示。采用逐漸加密網(wǎng)格的方式，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，為了在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源、加快計(jì)算速度，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為382萬(wàn)，各部分網(wǎng)格數(shù)如表1所示。

圖2 計(jì)算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation domain

圖3 葉輪和蝸舌附近網(wǎng)格Fig.3 Grid near impeller and volute tongue

表1 各部分網(wǎng)格數(shù)Tab.1 Grid number of each part

流場(chǎng)計(jì)算采用FLUENT軟件，邊界條件為質(zhì)量流量進(jìn)口、壓力出口，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450r/min。湍流模型采用SST κ-ω模型，速度—壓力耦合算法采用SIMPLE算法，湍流耗散項(xiàng)、湍流動(dòng)能和動(dòng)量方程的離散均采用二階迎風(fēng)格式。

2.2 試驗(yàn)方法

在風(fēng)機(jī)性能測(cè)試過(guò)程中，采用進(jìn)口堵片方式調(diào)節(jié)流量，從大流量至小流量共選取11個(gè)工況點(diǎn)，得到每個(gè)工況點(diǎn)的風(fēng)機(jī)流量、全壓和效率。

為便于計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，數(shù)值模擬和試驗(yàn)采用相同的流量工況，將數(shù)值計(jì)算所得出的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)除了在大流量工況下誤差較大外，其它工況下效率誤差不超過(guò)6%，且性能曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致，因此可以認(rèn)為數(shù)值模擬具有較高的可信度。

圖4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.4 Comparison of calculation results and test data

3 正交試驗(yàn)

3.1 因子及其水平的確定

為研究葉輪位置對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的影響，在原機(jī)的基礎(chǔ)上移動(dòng)葉輪（保持集流器中心與葉輪中心重合），如圖5所示。定義葉輪在X軸，Y軸，Z軸三個(gè)方向移動(dòng)的距離分別為x，y，z（負(fù)值表示向坐標(biāo)軸負(fù)方向移動(dòng)），每個(gè)因素對(duì)應(yīng)三個(gè)水平，如表2所示。

圖5 葉輪位置示意圖Fig.5 Impeller position diagram

表2 因素水平Tab.2 Factor levels

3.2 正交表選擇及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選用L9(34)正交表安排試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以設(shè)計(jì)工況下的效率為目標(biāo)，方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test scheme

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

F檢驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)因素對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響都不顯著，因此從表3中選擇平均數(shù)大的水平x3，y3，z1組合成最優(yōu)水平組合x(chóng)3y3z1，數(shù)值模擬得到此方案風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下效率為67.59%，低于方案6風(fēng)機(jī)。故最終選擇方案6為最優(yōu)方案，即葉輪向Y軸負(fù)方向移動(dòng)5mm同時(shí)向Z軸正方向移動(dòng)2mm時(shí)風(fēng)機(jī)效率最高，相對(duì)于原機(jī)（最高效率66.49%），設(shè)計(jì)工況下的效率提高了1.26%。

4 結(jié)果分析

為探究方案6風(fēng)機(jī)效率提高的原因，按如圖6所示設(shè)置觀測(cè)面（S1～S3），分別對(duì)原風(fēng)機(jī)和方案6風(fēng)機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)分析。其中，S1為葉輪中盤(pán)平面，S2用來(lái)觀察軸面流場(chǎng)，S3則為蝸殼出口截面。

圖6 流場(chǎng)分析觀測(cè)面示意圖Fig.6 Schematic diagram of observation surface for flow field analysis

如圖7所示，由于此風(fēng)機(jī)采用的是直葉片，在靠近葉片出口的吸力面附近出現(xiàn)了流動(dòng)分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了旋渦，導(dǎo)致了較大的流動(dòng)損失。相對(duì)于原風(fēng)機(jī)，方案6中僅有部分葉道旋渦減小，有的葉道中還略有增大?？傮w而言，對(duì)于此風(fēng)機(jī)，改變?nèi)~輪與蝸殼的相對(duì)位置對(duì)葉輪流場(chǎng)影響不大。

圖7 S1截面葉輪速度云圖、流線(xiàn)截面葉輪速度云圖Fig.7 Velocity nephogram and streamline diagram of impeller on S1 section

氣流經(jīng)過(guò)葉輪做功后進(jìn)入蝸殼，從圖7中也可以看到，葉片壓力面附近氣流速度大，吸力面附近氣流速度小，因此氣流進(jìn)入蝸殼后速度分布也是不均勻的。如圖8(a)所示，在原機(jī)中蝸殼流道內(nèi)存在著很多低速區(qū)，速度梯度大，容易產(chǎn)生渦流，引起較大的流動(dòng)損失，特別是蝸舌附近的氣流狀態(tài)對(duì)風(fēng)機(jī)性能有著很大的影響。而從圖8(b)中可以看出，葉輪位置經(jīng)過(guò)調(diào)整后，蝸殼流道內(nèi)，尤其是蝸舌附近，低速區(qū)的范圍顯著減小，速度梯度小，可以有效抑制渦流的產(chǎn)生，從而可以降低流動(dòng)損失，提高風(fēng)機(jī)效率。

圖8 S1截面蝸殼內(nèi)速度分布云圖Fig.8 Velocity distribution nephogram of volute on S1 section

圖9為S2截面蝸殼速度分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)，由于氣流從葉輪進(jìn)入蝸殼時(shí)流道截面突然變大，在蝸殼流道內(nèi)產(chǎn)生了大范圍的二次流旋渦，使得蝸殼的有效通流面積減小，氣體流動(dòng)受阻，從而引起能量損失。方案6相對(duì)于原機(jī)，蝸殼內(nèi)部的二次流旋渦明顯減小，有效通流面積增大，氣體流動(dòng)更順暢，氣動(dòng)損失減小。圖10為S3截面的靜壓分布云圖，可以看到，葉輪位置經(jīng)過(guò)調(diào)整后的風(fēng)機(jī)，出口靜壓明顯增大。

圖9 S2截面蝸殼速度分布云圖Fig.9 Velocity distribution nephogram of volute on S2 section

圖10 S3截面靜壓分布云圖Fig.10 Static pressure distribution nephogram of S3 section

5 結(jié)論

1）采用FLUENT軟件對(duì)原風(fēng)機(jī)內(nèi)部的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，氣流從葉輪進(jìn)入蝸殼后，速度梯度較大，同時(shí)由于流道截面突然擴(kuò)大，蝸殼流道內(nèi)存在強(qiáng)烈的二次流旋渦，容易引起較大的能量損失，使得原風(fēng)機(jī)效率較低。

2）通過(guò)正交試驗(yàn)研究了葉輪與蝸殼的相對(duì)位置對(duì)離心風(fēng)機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉輪位置經(jīng)過(guò)調(diào)整后可以使風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下的效率提高1.26%。

3）對(duì)于本文所研究的該型風(fēng)機(jī)，改變?nèi)~輪與蝸殼的相對(duì)位置對(duì)葉輪流場(chǎng)影響不大，主要是影響蝸殼流場(chǎng)。調(diào)整葉輪位置后，可以有效減小蝸殼流道內(nèi)的速度梯度和二次流旋渦，增大風(fēng)機(jī)出口靜壓。