脫硫除塵用風機流場模擬及其結構優化研究

李　凱，唐鈴鳳，辛厚智

(安徽工程大學機械與汽車工程學院， 安徽　蕪湖　241000)

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脫硫除塵用風機流場模擬及其結構優化研究

李凱，唐鈴鳳，辛厚智

(安徽工程大學機械與汽車工程學院， 安徽蕪湖241000)

[摘要]對某脫硫除塵用離心風機進行流場模擬和結構優化研究，設計了風機葉輪結構，建立脫硫除塵風機的流道模型,通過FLUENT軟件對脫硫除塵離心風機流場進行數值模擬.按照L9(34)正交表，選取葉輪進口直徑、葉輪直徑、葉片進口角、葉片出口角參數作為設計因素，設計了9組方案，通過正交試驗分析了4種幾何參數對風機性能的影響，得出葉輪出口角是影響效率和噪音的主要因素，并提出優化設計方案.以風機效率最大為第一目標函數，風機噪音最低為第二目標函數，以D1，D2，βb1，βb2，Z為設計變量加以約束條件，用遺傳算法對風機噪音和效率進行多目標優化，獲得了最優葉輪結構參數組合，優化后的脫硫除塵風機效率高于原風機，且噪音得到有效控制.

[關鍵詞]離心風機；流場模擬；正交實驗；結構優化

離心風機是發電廠的大型回轉設備，是煙風系統的動力源，其運行狀況直接關系到電廠的安全和經濟運行.原煤緊缺導致火電廠發電成本攀升，鍋爐送風機、引風機作為發電廠重要的輔助設備，其耗電量約占用電的30﹪，消耗了大量的能源.因此，提高葉輪機械的效率、擴大其運行范圍，對于節約能源和二氧化碳減排具有舉足輕重的作用.葉輪作為風機的主要部件，其結構參數直接影響到風機的性能[1].隨著計算機運算速度、內存及并行技術的迅速發展以及數值計算主要環節如控制方程、湍流模型、網格劃分、數值算法和前后處理技術等的發展，利用CFD可以深入研究通過實驗不易獲得的各類復雜的流動現象，分析流動的物理機理和流體機械的工作性能[2].

本文以脫硫除塵用風機為研究對象，采用數值流場模擬的方法，基于流場分析脫硫除塵用風機葉輪結構參數對其性能的影響，構造試驗樣本設計正交試驗，通過極差分析法研究葉輪結構參數的變化對風機性能影響的規律，利用遺傳算法對脫硫除塵用風機的結構參數進行優化研究，并尋找出最優的結構參數組合.

1風機的結構設計

1.1葉輪進口參數的確定

葉輪進口喉部直徑為：

(1)

上式中，ξ1為速度比，τ1為截面堵塞系數，μ0為葉輪入口截面氣流充滿系數，Qs為設計流量(單位m3/s)，ν為轂徑比，ηv為容積效率.

對于小比轉速的通風機，一般進口直徑D1=(1-1.1)D0；確定葉輪入口直徑D1=0.32m.

1.2葉輪直徑

圓周速率為：

(2)

上式中，P為風機壓力(單位Pa)，ρ為氣流的密度(單位kg/m3)，ψ為壓力系數，葉輪直徑D2為

1.3葉輪入口寬度

(3)

對于后向葉輪，葉輪入口前截面氣流充滿系數[3]μ1=0.85~0.95；確定選取μ1=0.9.確定進口寬度b1=0.13m.

1.4葉片出口角βb2、入口角βb1

βb2值與通風機的壓力P關系密切.經過多次試算，為保證獲得所需要的通風機壓力，還要從風機葉片的塵埃堆積和耐磨的角度考慮，我們確定β2=85°，葉片入口角β1=30°.

1.5葉片數Z

(4)

上式中，σ為葉柵密度，D1為葉道入口直徑(以m為單位)，D2為葉輪外徑(以m為單位)，βb1為葉片入口角，βb2為葉片出口角，確定Z=11.

1.6葉輪出口寬度b2

(5)

選取葉片厚度δ=δ1=δ2=0.004m，選取葉道出口截面氣流充滿系數[3]μ2=0.85.確定b2=0.031m.

2風機的三維建模與流場模擬分析

2.1三維模型建立

基于上述參數進行風機設計，用Proe軟件對風機的葉輪和蝸殼進行三維建模，所得模型如圖1所示.

圖1　風機三維圖

2.2網格劃分

對脫硫除塵用風機流域進行三維建模(網格劃分)，建模的流域主要包括進風口流域、葉輪流域和蝸殼流域3個流域[4].對風機的進口流域采用四面體加上適當位置用六面體及楔形網格等混合單元混合；對葉輪流域采用六面體及適當位置用部分楔形網格；對蝸殼流域采用四面體加上適當位置用六面體及楔形網格等混合單元混合，流域網格模型如圖2所示.

圖2　離心風機的流域網格模型

2.3邊界條件

本文將離心風機劃分為入口流域、葉輪流域和蝸殼流域3個流域.求解時將葉輪流域區域設定為旋轉區域，給定旋轉速度、旋轉中心；將風機的蝸殼流域和進口流域設定為靜止區域，采用靜止坐標系.對于旋轉區域和靜止區域的交界面可采用交互面邊界條件，使得兩個區域的數據能在交互面上交換.風機的進氣口截面設定為整個流體域的進口，蝸殼的出口截面定義為整個流體域的出口[5].

2.4模擬結果及分析

圖3為風機流場的靜壓圖.在葉輪與進風口接觸的位置，靜壓為負.這是由于葉輪旋轉使空氣沿葉輪流道流向蝸殼，空氣減少，壓力降低.在蝸殼流域中，離旋轉中心越遠靜壓越大，說明隨流域體積的增大，速度減小，氣動能部分轉化為勢能(壓能).

圖3　風機流場的靜壓

圖4為風機流場的動壓圖.氣體從進口處流入葉輪流域后，動壓沿葉輪流域不斷增加，并在葉片工作表面形成一片高壓區，壓力比葉片背葉面高.氣體進入蝸殼后，動壓減小，離出風口越近，流域界面積越大，動壓減小的區域也逐漸變大.

圖4　風機流場的動壓

圖5為脫硫除塵用風機內截面流場的速度矢量圖，從圖中可以看出速度范圍和流動方向.風機內氣體的速度分布規律與動壓圖是相對應的.在進風口處，空氣速度比較紊亂無序，因為這部分空氣速度由軸向變成徑向，還伴隨葉輪旋轉、輪盤阻力等作用，氣體流動較復雜.空氣進入葉輪流域后，速度變得有規律，經過葉輪流域加速，在葉片工作表面附近達到較大值；進入蝸殼流道后，沒有了加速作用且流道截面面積逐漸變大，空氣速度減小.

3正交實驗及離心風機結構優化

3.1實驗因素及方案的確定

一般來說，葉輪的進口直徑D1、葉輪直徑D2、葉片進口角βb1、葉片出口角βb2、葉片數Z、葉片出口寬度b2和進口寬度b1等都是影響風機效率的主要因素，而葉片出口寬度b2和進口寬度b1可由前面幾個因素決定，可以根據前幾個因素的最優結果得出.本文選取葉輪的進口直徑D1、葉輪直徑D2、葉片進口角βb1、葉片出口角βb2為正交試驗的4個因素，研究對效率和噪音的影響因素[6].表1為因素水平表.

圖5　風機內流場的速度矢量圖

水平因素D1/mD2/mβb1/°βb2/°10.2128°78°20.31.130°80°30.41.232°82°

對于結果的處理采用極差分析[7].極差值的大小反映了試驗中的各個因素影響的大小.極差大，表明這個因素的影響大，通常為重要的影響因素；極差小，表明這個因素的影響小，通常為不重要的影響因素.正交試驗的極差分析如表3所示.

分析表3可以得出，各因素對效率η的影響順序為βb2>D2>D1>βb1；對噪音的影響順序為βb2>D1>D2>βb1.在綜合考慮高效率和低噪音以保證風機性能的情況下，通過正交試驗對評價指標的影響趨勢得到的最佳工藝參數不在試驗中[8]，再運用CFD進行數值模擬驗證.在綜合考慮效率和噪音以保證性能的情況下，得到的最佳組合為D1=0.3 m，D2=1.2 m，βb1=30°，βb2=82°.

表2　實驗方案及結果

表3　實驗結果分析

3.2遺傳算法優化

3.2.1全局尋優適應度函數

本文的優化目標是風機效率和風機噪聲，因此是一個多目標優化問題，故將適應度函數線性求和，將多目標問題轉化為單目標問題[9].全局尋優適應度函數[10]：

minF=-mη-nl+k

(6)

上式中，η為風機效率，L為風機噪音，m、n分別為風機效率和全壓的權重.其中m+n=1，k為常數，保證適應度函數為正值.

3.2.2優化參數及其約束條件

風機的結構參數對其性能影響較大[11]，如葉輪的進/出口直徑、葉片數、進/出口安裝角、葉片進/出口寬度、集流器的形狀、蝸舌間隙等.這些參數對風機性能的影響程度不同.根據理論及改進的實際分析，在葉型、蝸殼、集流器都不變的前提下，選取葉片數、葉片出口安裝角和葉輪出口寬度為優化對象.考慮到風機的流量范圍及數值模擬次數的限制，要對優化變量限制一定范圍，否則可能導致優化結果與實際不符.因此，各變量均在之前正交試驗所選定的極值范圍內變動.

圖6為風機效率的尋優過程.由圖6可知，經過約50多次進化計算得到風機全壓和效率的最優值，葉輪結構參數分別為：葉片數11片，葉片出口安裝角83.26°，葉輪入口直徑0.31 m，葉片入口安裝角32.34°，葉輪直徑1.15 m，效率和噪音的優化結果分別為73.02﹪和83.02 db.

圖6　風機效率的尋優過程

圖7為葉輪優化前后的風機性能曲線圖.由圖7可知，葉輪結構參數優化后風機效率明顯提高，隨著流量的增加，效率提高的幅值略有增大，在設計工況處，效率提高；優化后風機效率比原始風機高，并且隨著流量的增加，效率增高的值變大.

q/(m3/s)

圖8為葉輪優化前后的風機噪聲與流量的關系曲線圖.由圖8可知，風機噪聲隨流量的增加先降低后增大.這是由于在給定工況流量下運行時，葉輪和蝸殼有較好的適配關系；而在小流量時，旋轉葉片掠過蝸舌時所引起的周期性的壓力和速度脈動大大增加使得風機運行狀況惡化，甚至產生嚴重的破壞性振動.與原風機相比，葉輪優化后的風機噪聲降低.因此，葉輪結構優化后，在提高效率的同時有效控制了噪音.

圖8　風機噪聲與流量曲線

3.3優化后的流場分析

圖9~圖12為葉輪結構參數優化后葉輪流道內部流場分布圖.

圖9　葉輪出口蝸殼處速度矢量圖

優化后，葉輪流道內靜壓和總壓整體升高，葉片吸力面上壓力梯度增大，葉片載荷增加，且葉輪流道內的速度分布更為均勻.這是由于葉輪直徑變大，柵距減小，流道的擴散度減弱，降低了軸向渦流的影響，風機性能得到改善.葉輪出口的射流—尾流結構明顯減弱.這是由于在葉輪最高效率點附近影響射流—尾流結構強化的最大因素是葉片出口角和葉輪速度.當葉片出口角逐漸增大時，射流—尾流結構逐漸減弱，直至完全消失.優化葉輪中，葉輪速度不變，葉片出口角不斷增大，使得葉輪流道內的尾流區逐漸減小及射流—尾流之間的剪層減少，流場得到改善.

圖10　葉輪流域靜壓圖

圖11　葉輪流域動壓圖

圖12　風機流場速度云圖

4結論

對風機內部流場進行數值模擬，發現風機的內部呈現出復雜的特性，風機蝸殼內的壓力分布不均勻，存在著渦流和回流的現象，影響了風機內氣流在葉輪前盤徑向的流動，進而影響脫硫除塵風機的效率.本文基于脫硫除塵風機的數值模擬技術，選擇風機的效率、噪音作為風機性能優劣的評價指標，設計了L9(34)正交試驗矩陣對風機葉輪結構參數進行正交試驗.通過試驗結果分析得出各個影響因素對脫硫除塵風機性能評價指標的影響趨勢，優化得出各個參數對單一質量評價指標的最佳工藝參數組合.運用遺傳算法進行葉輪結構參數的優化，獲得最佳工藝參數組合下的效率為73.02﹪，噪聲83.02 db.此外，本文還對葉輪結構參數優化后的風機進行了特征分析.結果表明，風機的性能得到改善，風機效率高于原風機，噪音得到有效控制.

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(責任編輯吳強)

Study on flow field simulation and structure optimization of desulfurization and dust removal

LI Kai, TANG Lingfeng, XIN Houzhi

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu Anhui 241000, China)

Abstract：The flow field simulation and structural optimization were carried out on the centrifugal fan for a desulphurization. The structure of wind turbine impeller is designed, and the flow channel model of the desulphurization and dust removal fan is established. The numerical simulation of the flow field of the centrifugal fan in the centrifugal fan is carried out by FLUENT software. Using an orthogonal experiment of L9(34), which contains factors of impeller inlet diameter, impeller diameter, blade inlet angle, blade outlet angle, nine groups of schemes were designed. Four geometric parameters were used to analyze the influence on centrifugal fan performance by orthogonal experiments. Optimized design schemes were achieved, and we conclude that blade outlet angle is the main factor that affects the efficiency and noise. With the maximum efficiency of the fan as the first objective function, the minimum of the fan noise is second points, and the D1, D2, βspan, βspanand Z are used as the design variables. The genetic algorithm is used to optimize the noise and efficiency of the wind turbine. The optimum impeller structure parameters are obtained, and the efficiency of the optimized dust collector is higher than that of the original fan and the noise is effectively controlled.

Key words：centrifugal fan; flow field simulation; orthogonal experiment; structure optimization

[中圖分類號]TH16

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0109-07

[作者簡介]李凱(1991—)，男，安徽合肥人，碩士，主要從事流體機械方面的研究.

[基金項目]安徽省科技攻關項目：脫硫除塵過程裝備及其控制系統研發(12010402105)；蕪湖市科技計劃項目：數控機床液體靜壓導軌控制研究及其產業化(2103cxy08).

[收稿日期]2015-09-24