輪蓋結(jié)構(gòu)及間隙的風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳冀陶

（中國石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

風(fēng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備，每年都消耗大量的能源，對其進(jìn)行優(yōu)化提升性能，有助于節(jié)能減排和生態(tài)環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前的研究主要集中于風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，關(guān)于風(fēng)機(jī)蝸殼與間隙的研究較少。為了彌補(bǔ)這一不足，多方面提升風(fēng)機(jī)性能，本文通過數(shù)字化模型實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的方式，研究蝸殼形狀、輪蓋間隙與葉片安裝角等參數(shù)對靜壓效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)的條件為：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，常溫26 ℃，空氣濕度70%。圖1 為風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)場景，整個實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行12 個測量點(diǎn)的驗(yàn)證，采用U 形壓力計(jì)獲取壓力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作有實(shí)驗(yàn)裝置完好性與安全性檢查、實(shí)驗(yàn)環(huán)境檢查、實(shí)驗(yàn)條件與輔助設(shè)備檢查等。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場

由于風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此各工況點(diǎn)的檢測都需要確認(rèn)風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行。圖2 為本次實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)的效率最高點(diǎn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速5841 r/min、風(fēng)量289 m3/h 時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在這一工況下風(fēng)機(jī)獲得了最佳靜壓輸出。但考慮到生產(chǎn)實(shí)踐中不僅需要較高的靜壓輸出效率，還需要保證一定的靜壓差，因此將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到6135 r/min，風(fēng)量降低到233 m3/h，并以此時的工作狀態(tài)作為研究對象。

圖2 風(fēng)機(jī)靜壓及靜壓效率曲線

在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口和出風(fēng)口前端1.4 m 處設(shè)置U 形壓力計(jì)測量風(fēng)壓，此時室內(nèi)溫度26 ℃，風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作并保持風(fēng)量233 m3/h，測得出風(fēng)口靜壓力為2050 Pa，風(fēng)機(jī)的靜壓差為1990.72 Pa。根據(jù)風(fēng)機(jī)的工作穩(wěn)定性得出壓差精度在2.9%左右，與模型相數(shù)據(jù)相吻合，這證明數(shù)字化模型是正確的，誤差范圍也符合工程實(shí)際應(yīng)用的要求，計(jì)算模型的精度能夠滿足實(shí)際需求。

2 風(fēng)機(jī)幾何參數(shù)敏感性研究

2.1 上蓋板結(jié)構(gòu)

原風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體有較多的凸凹，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流損失，造成靜壓效率的降低。改進(jìn)后將風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體做成平整的結(jié)構(gòu)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對原風(fēng)機(jī)和改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行測試，測量同一位置的靜壓等數(shù)據(jù)（圖3）：壓力低于1300 Pa 時，風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體的平整度對靜壓效率無明顯的影響，但原風(fēng)機(jī)風(fēng)量更大；壓力高于1300 Pa 時，改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)不但風(fēng)量更大，靜壓效率也明顯提升。因此，改變風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體平整度對壓力較高工況下的氣動性能有明顯影響。

圖3 風(fēng)機(jī)靜壓及靜壓效率對比

2.2 葉片前安裝角

葉輪作為風(fēng)機(jī)的核心部件，是產(chǎn)生風(fēng)壓的主要元件。在風(fēng)機(jī)壓力損失中，葉輪位置能夠產(chǎn)生決定性的影響，葉輪的形狀決定了其性能，葉輪的形狀主要包含葉片安裝角、葉片厚度、葉片數(shù)、蝸殼型線、輪蓋間隙以及子午流道形狀等參數(shù)，在這些參數(shù)中又以葉片安裝角的影響最大。按照風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，葉片安裝角一般為30°、原風(fēng)機(jī)葉片安裝角為29°，在數(shù)字化模型風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)中葉片安裝角分別為27°和31°，葉片厚度、葉片數(shù)、蝸殼型線、輪蓋間隙以及子午流道形狀等參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，葉片安裝角為31°時可以獲得最佳性能。

2.3 輪蓋間隙

原風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體有較多的凸凹，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)氣流損失和靜壓力效率下降的問題，風(fēng)機(jī)整體性能不高。對蝸殼上殼體進(jìn)行了平整化改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)證明殼體平整度對壓力較高工況下的氣動性能有明顯提升作用。為確定輪蓋間隙對靜壓效率的影響程度，采取數(shù)字化模型進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)。

在數(shù)字化模型風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，輪蓋上間隙不變，葉片安裝角、葉片厚度、葉片數(shù)、蝸殼型線及子午流道形狀等參數(shù)也保持不變，分別進(jìn)行輪蓋下間隙分別為6 mm、3 mm 工況下的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輪蓋間隙較小時可以獲得更佳的風(fēng)機(jī)性能。

3 流場分析

在數(shù)字化模型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺對改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行流產(chǎn)分析。采用平整的蝸殼上殼體，葉片安裝角度為31°，輪蓋間隙為3 mm，這時對其流場進(jìn)行分析，測量點(diǎn)Z1、Z2、Z3、Z4的設(shè)置如圖4 所示。

圖4 主要截面示意

圖5 為改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)在相同工況下Z1截面的速度場模擬結(jié)果，表明上殼體平整化后能明顯減少漩渦的產(chǎn)生，二次流損失明顯降低。未改進(jìn)的風(fēng)機(jī)會在上殼體凸凹處產(chǎn)生明顯的漩渦，這是因?yàn)橥蛊鸬奈仛ぷ璧K了氣流的前進(jìn)。蝸殼不平整還會導(dǎo)致在蝸殼附近的周向位置產(chǎn)生漩渦，這是因?yàn)闅饬髋c殼體側(cè)面發(fā)生了碰撞，同時會進(jìn)一步加劇二次流損失、導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的靜壓效率下降。改進(jìn)后的風(fēng)機(jī)雖然也會產(chǎn)生漩渦，但漩渦位置下降、漩渦的影響范圍變小，使風(fēng)機(jī)的二次流損失降低。

圖5 不同蝸殼結(jié)構(gòu)Z1 截面流線圖

從圖6 可以看出，葉輪余下蓋板間的漩渦變小，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)進(jìn)出口的壓力差較大，在氣流出口位置前后盤的空隙中受壓力作用溢出氣流，并沿著縫隙回流至低壓區(qū)，形成了典型的二次流現(xiàn)象。此外，在葉輪頂部大量氣流倒流進(jìn)入葉輪內(nèi)部、導(dǎo)致能量下降低，經(jīng)過一系列的壓縮、碰撞和沖擊后氣流到達(dá)出口處時能量進(jìn)一步降低，產(chǎn)生了不必要的能量損失。因此，考慮通過降低輪蓋間隙的辦法減少能量損失。

圖6 模型在Z1 截面流線圖

4 結(jié)論

采用數(shù)字化模型與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式研究風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索內(nèi)部流場的規(guī)律，分析結(jié)果顯示該風(fēng)機(jī)蝸殼上殼體不平整導(dǎo)致二次流增加，在壓力超過1300 Pa 后靜壓效率明顯下降。對蝸殼上殼體進(jìn)行平整化改進(jìn)后，風(fēng)機(jī)的整體性能得到提升，主要表現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）蝸殼上殼體平整化后，二次流損失明顯降低，風(fēng)機(jī)葉片附近的漩渦變小，能量損失減少，靜壓效率提升2%左右。

（2）縮小輪蓋間隙后可以有效減少能量泄漏，降低二次流的產(chǎn)生，風(fēng)機(jī)靜壓效率提升民1.1%。

（3）風(fēng)機(jī)葉輪葉片的安裝角由30°改為31°后，氣流泄漏降低，能量損失減少，風(fēng)機(jī)靜壓效率提高了1.2%。