船用離心通風(fēng)機(jī)高效節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙 博，陳 朋，丁可金，顧軍威

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用離心通風(fēng)機(jī)高效節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙 博1，陳 朋2，丁可金2，顧軍威2

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

開展某型船用離心通風(fēng)機(jī)節(jié)能改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用數(shù)值仿真對(duì)改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，揭示了流動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)整體性能的影響，樣機(jī)試驗(yàn)表明風(fēng)機(jī)節(jié)能改進(jìn)效果明顯，本文的設(shè)計(jì)方法對(duì)離心風(fēng)機(jī)節(jié)能改進(jìn)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

離心風(fēng)機(jī)；數(shù)值模擬；節(jié)能

0 前言

離心通風(fēng)機(jī)在船舶通風(fēng)、換氣、采暖、除塵、輸送易燃易爆氣體等方面有著無可替代的作用，是船舶輔助保障系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。目前，國內(nèi)船用風(fēng)機(jī)普遍存在結(jié)構(gòu)陳舊、效率低下的問題。隨著船舶建造規(guī)模的加大和現(xiàn)代科技的發(fā)展，能夠滿足現(xiàn)代船舶可持續(xù)發(fā)展要求的高效節(jié)能風(fēng)機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)成為本類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。因此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)研究是一項(xiàng)十分有意義的課題。研究工作可為我國船舶業(yè)的發(fā)展提供更好配套產(chǎn)品，彌補(bǔ)我國此類產(chǎn)品的不足，同時(shí)，船用風(fēng)機(jī)節(jié)能減排方面的研究也符合我國可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)，具有長(zhǎng)久的意義。

1 改進(jìn)方案

改進(jìn)工作針對(duì)A型船用離心風(fēng)機(jī)，該型風(fēng)機(jī)額定流量7000m3/h、全壓2450Pa、轉(zhuǎn)速2900r/min，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)該型風(fēng)機(jī)效率較低，在額定工況下約為61%。

A型風(fēng)機(jī)主要由葉輪、蝸殼以及進(jìn)口集流器等組成。風(fēng)機(jī)葉輪采用徑向直葉片，長(zhǎng)短葉片間隔分布，前后盤平直結(jié)構(gòu)，圖1為揭開前盤的葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)具有制造方便，適合于正反轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是流動(dòng)損失大，效率低下。

如圖2所示，徑向葉片進(jìn)口幾何角度與圓周方向?yàn)?0度，而氣流進(jìn)入葉片流道的相對(duì)速度的方向一般小于45度，因此氣流與葉片的沖角大于45度。進(jìn)口氣流的沖角大，氣流在葉片表面會(huì)產(chǎn)生附面層分離，產(chǎn)生能量損耗，導(dǎo)致整個(gè)葉輪的效率降低。此外，葉輪采用平前盤，靠近前盤的氣流容易分離，這對(duì)風(fēng)機(jī)的整體性能也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

圖1 原型風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)

圖2 葉輪進(jìn)口速度三角型

為了減少進(jìn)口處氣流的沖角，使葉片與設(shè)計(jì)工況下進(jìn)口氣流的角度相互協(xié)調(diào)，改進(jìn)風(fēng)機(jī)采用采用后彎葉片結(jié)合弧形前盤的型式，如圖3所示。

圖3 后彎葉輪

2 數(shù)值模擬分析

采用流體計(jì)算軟件NUMECA對(duì)A型風(fēng)機(jī)和改進(jìn)風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。數(shù)值計(jì)算采用了 NUMECA FINE軟件包的Euranus求解器。采用Jameson的有限體積差分格式并結(jié)合Spalart-Allmaras湍流模型對(duì)相對(duì)坐標(biāo)系下的三維雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，采用顯式四階Runge-Kutta法時(shí)間推進(jìn)以獲得定常解，為提高計(jì)算效率，采用了多重網(wǎng)格法、局部時(shí)間步長(zhǎng)和殘差光順等加速收斂措施。

計(jì)算中，輪轂、機(jī)匣以及葉片等固壁上給定絕熱無滑移邊界條件，風(fēng)機(jī)上游延伸段進(jìn)口邊界條件取總壓為101325Pa、進(jìn)口總溫為288.2K，進(jìn)口氣流方向?yàn)檩S向。風(fēng)機(jī)下游延伸段出口邊界條件設(shè)為平均靜壓，通過不斷調(diào)整出口延伸段背壓獲得特性線。當(dāng)風(fēng)機(jī)出口背壓調(diào)整到一定程度時(shí)，經(jīng)過一定迭代步數(shù)后各物理量不收斂時(shí)，認(rèn)為進(jìn)入不穩(wěn)定工況[1-4]。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

2.1 A型風(fēng)機(jī)計(jì)算結(jié)果分析

葉輪作為風(fēng)機(jī)的核心部件，決定著風(fēng)機(jī)的主要性能，下面通過分析葉輪內(nèi)部流場(chǎng)，找出A型風(fēng)機(jī)性能差的主要原因。

圖5給出了額定流量狀態(tài)下，約10%、50%及99%三種葉高處葉片通道內(nèi)相對(duì)速度分布矢量圖。從圖中可觀察到，無論何種葉高處，葉片通道內(nèi)均存在大范圍的氣流分離區(qū)，并且氣流分離位置就在葉片的前緣處，同時(shí)靠近葉片壓力面處通道內(nèi)出現(xiàn)明顯的旋渦狀氣流區(qū)。對(duì)比可發(fā)現(xiàn) 50%葉高處葉片通道內(nèi)氣流分離現(xiàn)象較其它兩個(gè)葉高處的惡劣，該葉高下通道內(nèi)的氣流分離區(qū)最大，并且進(jìn)口氣流的沖角明顯比其它兩個(gè)葉高時(shí)的大。由此可看出進(jìn)口氣流沖角過大造成葉片吸力面處的附面層分離，由此產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失，甚至有可能會(huì)引起葉片流道堵塞，對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率低下。

2.2 改進(jìn)風(fēng)機(jī)計(jì)算結(jié)果分析

圖6～圖8給出了額定流量狀態(tài)下，約10%、50%及99%三種葉高處A型風(fēng)機(jī)葉輪和改進(jìn)風(fēng)機(jī)葉輪通道內(nèi)相對(duì)速度分布矢量圖。從三圖中可觀察到，無論何種葉高處，A型風(fēng)機(jī)葉片通道內(nèi)均存在大范圍的氣流分離區(qū)，靠近葉片壓力面處通道內(nèi)出現(xiàn)明顯的旋渦狀氣流區(qū)，流動(dòng)狀況較差。而改進(jìn)風(fēng)機(jī)葉片通道內(nèi)，氣流流動(dòng)狀態(tài)有明顯改善，氣流在葉片吸力面的分離起始位置靠后，推遲了氣流分離，減小了分離區(qū)，從而提高整體效率。在另一方面，分離區(qū)的減小，同時(shí)能夠降低流動(dòng)產(chǎn)生的非定常激振力，從而改善風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行狀況。

圖9為計(jì)算獲得的改進(jìn)風(fēng)機(jī)和A型風(fēng)機(jī)流量效率曲線圖和流量全壓曲線圖，由圖可以看出，改進(jìn)風(fēng)機(jī)流量全壓曲線與A型風(fēng)機(jī)基本一致，而整體效率明顯高于A型風(fēng)機(jī)。

圖5 額定流量下不同葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

圖6 兩種葉型約10%葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

圖7 兩種葉型約50%葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

圖8 兩種葉型約99%葉高處相對(duì)速度矢量分布圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，完成了改進(jìn)風(fēng)機(jī)制造及性能試驗(yàn)，與A型風(fēng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證改進(jìn)效果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算結(jié)果，得到圖10、圖11、圖12分別為改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)流量全壓曲線圖、流量效率曲線圖和流量功率曲線圖。總體而言，改進(jìn)風(fēng)機(jī)流量、全壓基本與A型風(fēng)機(jī)相同，而效率和功率則都有較大幅度的改善。如圖10，改進(jìn)風(fēng)機(jī)在整個(gè)流量范圍內(nèi)，全壓曲線略高于A型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)曲線，整體走勢(shì)基本一致。如圖11，改進(jìn)風(fēng)機(jī)效率曲線始終都高于A型風(fēng)機(jī)效率曲線，在額定工況點(diǎn)7000m3/h處，A型風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)效率約為61%，而改進(jìn)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)效率則提高至75%左右。從圖12可以看到，在整個(gè)流量范圍內(nèi)改進(jìn)風(fēng)機(jī)消耗功率明顯低于A型風(fēng)機(jī)，在額定工況附近，A型風(fēng)機(jī)軸功率約為15.5kW，而改進(jìn)風(fēng)機(jī)約降低至12.5kW左右。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖10 改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)流量全壓曲線圖

圖11 改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)流量效率曲線圖

圖12 改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)流量功率曲線

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)風(fēng)機(jī)在額定工況點(diǎn)，流量7000m3/h、全壓約2500Pa，效率達(dá)到75%左右，功率相對(duì)原風(fēng)機(jī)降低約20%，說明改進(jìn)風(fēng)機(jī)在保證A型風(fēng)機(jī)性能的基礎(chǔ)上，效率獲得了較大的提高，功率損耗大幅度降低，節(jié)能效果明顯；2）通過流場(chǎng)計(jì)算分析，有效的揭示了A型風(fēng)機(jī)效率低下的主要原因，較為準(zhǔn)確的預(yù)估了風(fēng)機(jī)的改進(jìn)效果，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果較為一致，說明數(shù)值計(jì)算仿真能夠?yàn)橥L(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)研究提供有效的借鑒和幫助；3）本文的設(shè)計(jì)方法可以十分容易的推廣到其他離心通風(fēng)機(jī)的節(jié)能改進(jìn)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有較高的指導(dǎo)意義。

[1]王小華,黃東濤,等.離心風(fēng)機(jī)子午通道內(nèi)湍流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),1998,15(1):50-54.

[2]陸蓓蕾,陳瑞球,石富金.離心風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值計(jì)算[J].煤礦機(jī)械,2005(4):23-24.

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[4]游斌,謝軍龍,等.多翼離心風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2003,24(3):419-422.

Improved Calculation and Experimental Research of Marine Centrifugal Blower

ZHAO Bo1,CHEN Peng2,DING Ke-jin2,GU Jun-wei2
(1.Navy Representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Computational fluid dynamics NUMECA is applied and the meliorated impeller of one ventilator is numerical simulated and analyzed.The comparison of the calculation results and the experimental results indicates that the calculation can supply a direction for the amelioration.The calculation results can play an important role for the design of the ventilators.

centrifugal blower; numerical simulation; energy sources saving

U66

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.004

趙博（1977-），男，碩士。研究方向：艦船機(jī)電設(shè)計(jì)研究。