G4-73型離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片開(kāi)縫的數(shù)值模擬

李艷奇，呂玉坤，彭 鑫，王鐵民，任振宇，郭建新，唐文龍，李 輝

（1.首鋼京唐公司能源與環(huán)境部，河北唐山 063200；2.華北電力大學(xué)，河北保定 071003；3.華能荊門(mén)熱電廠，湖北荊門(mén)，448002）

引言

風(fēng)機(jī)屬于通用機(jī)械的范疇，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)中應(yīng)用十分廣泛，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都離不開(kāi)風(fēng)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全國(guó)的總用電量中，風(fēng)機(jī)的耗電約占9%左右[1]。目前，離心式風(fēng)機(jī)在我國(guó)能源系統(tǒng)中占有較大比例，因此研究和改造提高其性能，對(duì)工礦企業(yè)的節(jié)能增效具有重要意義[2]。

風(fēng)機(jī)的節(jié)能方法主要有從運(yùn)行上調(diào)節(jié)和進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，關(guān)于運(yùn)行調(diào)節(jié)的研究非常廣泛；結(jié)構(gòu)改造主要有加裝倒流器、動(dòng)靜葉改造等，目前關(guān)于風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)縫技術(shù)的研究不多，工程應(yīng)用并不廣泛。其中清華大學(xué)的黃冬濤等人通過(guò)長(zhǎng)短葉片開(kāi)縫使離心通風(fēng)機(jī)的性能曲線變得平坦，高效區(qū)變寬，使變工況性能更好[3]。華中科技大學(xué)劉飛等人對(duì)葉片弦向開(kāi)縫進(jìn)行了研究，改善了葉柵周?chē)膲毫Ψ植迹箍倝簱p降幅達(dá)15.8%，并對(duì)吸氣點(diǎn)和回氣點(diǎn)即開(kāi)縫的位置進(jìn)行了研究，給出了良好的建議[4]。中國(guó)科學(xué)院楊科等人對(duì)航空工業(yè)中的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了開(kāi)縫研究，對(duì)上風(fēng)面開(kāi)縫、下風(fēng)面開(kāi)縫和由下向上開(kāi)縫三種方式進(jìn)行不同沖角的模擬研究，分析了各種情況下的流場(chǎng)，流線分布，結(jié)果表明開(kāi)縫對(duì)風(fēng)力機(jī)靜態(tài)失速特性的改善非常有利[5]。

本文在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以G4-73№8D型離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用NUMECA軟件對(duì)葉片不同開(kāi)縫方案進(jìn)行數(shù)值模擬，比較各種方案下風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)化情況，并結(jié)合葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，確定葉片開(kāi)縫的優(yōu)化參數(shù)。

1 風(fēng)機(jī)葉片開(kāi)縫模型的建立和數(shù)值方法

1.1 結(jié)構(gòu)模型

利用Solidworks軟件建立物理模型，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)取自產(chǎn)品樣本[5]，其外觀結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示(單位：mm)，未作簡(jiǎn)化。

圖1 G4-73No.8D型離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖

本文在開(kāi)縫前對(duì)原葉輪的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，風(fēng)機(jī)葉片流道吸力面出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，形成較大的渦流區(qū)；在流道后半段，吸力面邊界層分離現(xiàn)象更為嚴(yán)重，高速氣流占整個(gè)流道寬度的65%左右。因此在葉片尾部容易發(fā)生邊界層分離的地方開(kāi)一小縫，讓經(jīng)縫隙流過(guò)部分流體對(duì)吸力面出口附近的流體起到吹散作用，可能會(huì)防止邊界層分離的產(chǎn)生與發(fā)展。

有前人已研究過(guò)開(kāi)縫的大小對(duì)流動(dòng)的影響很大，但在有粉塵的環(huán)境中，縫隙太小(縫寬約2mm)可能發(fā)生堵塞而失去作用，這限制了該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用[2]。因此，為保證不會(huì)有堵塞現(xiàn)象發(fā)生，在開(kāi)縫處留有足夠大的間隙，約6 mm，開(kāi)縫示意圖如圖2。

圖2 葉片開(kāi)縫示意圖

考慮工程實(shí)際中操作方便，以a的變化來(lái)表示開(kāi)縫位置，以b的變化來(lái)控制開(kāi)縫角度的大小。采用比值a/c(c為葉片弦長(zhǎng))、b/c無(wú)量綱形式進(jìn)行比較。開(kāi)縫位置和開(kāi)縫角度進(jìn)行計(jì)算研究?jī)?yōu)化時(shí)，采用先固定一個(gè)比值，調(diào)整另一個(gè)比值的方法進(jìn)行研究。開(kāi)縫的角度變化參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 葉片開(kāi)縫角度變化參數(shù)

1.2 網(wǎng)格的劃分

針對(duì)具體實(shí)例，本文在數(shù)值模擬時(shí)采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用AutoGrid軟件提供的H型網(wǎng)格自動(dòng)生成功能，生成進(jìn)風(fēng)口和葉輪的最終網(wǎng)格。風(fēng)機(jī)其他部分的網(wǎng)格生成采用先劃分區(qū)域，然后手動(dòng)劃分網(wǎng)格。圖3為葉片開(kāi)縫網(wǎng)格示意圖。

圖3 葉片開(kāi)縫網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界及初始條件

1）集流器入口設(shè)置為進(jìn)口邊界，葉輪出口設(shè)置為出口邊界；葉輪前盤(pán)、后盤(pán)、葉片等實(shí)體壁面設(shè)置為固體壁面；流道邊界面與下一個(gè)周期流道邊界面對(duì)應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連接設(shè)置為周期匹配連接，周期數(shù)設(shè)為12。

2）設(shè)定初始靜壓P=1.01325×105Pa，初始溫度T=293 K，軸向進(jìn)氣速度ν＝18 m/s，所有旋轉(zhuǎn)壁面(如：葉輪前盤(pán)、后盤(pán)、葉輪葉片等)輸入轉(zhuǎn)速n＝1450 r/min，其他非旋轉(zhuǎn)壁面(如：蝸殼)轉(zhuǎn)速為零。

2 計(jì)算結(jié)果分析

由于流道內(nèi)軸向流動(dòng)分布不均勻，且葉輪的前盤(pán)和后盤(pán)不一致，為方便對(duì)比分析，在沿風(fēng)機(jī)葉輪周向做A、B兩個(gè)剖面，如圖4所示。葉輪流道內(nèi)速度和壓力分布情況采用云圖和矢量圖形式來(lái)表示。

2.1 開(kāi)縫角度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

圖5、圖6和表2給出了葉片的不同開(kāi)縫角度對(duì)風(fēng)機(jī)全壓和效率的影響結(jié)果。由圖表可知，葉片開(kāi)縫使得風(fēng)機(jī)全壓和效率都有所增加，但全壓增加比較明顯，而效率增加很少。其中方案7壓頭和效率提

圖4 葉輪流道剖面示意圖

圖5 不同方案下的壓頭提高值圖

圖6 不同方案下的效率提高值圖

表2 不同開(kāi)縫方案下風(fēng)機(jī)的壓頭和效率提高值 %

2.2 開(kāi)縫位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

根據(jù)方案7的開(kāi)縫角度，對(duì)開(kāi)縫位置進(jìn)行優(yōu)化研究，即a/c、b/c按比例變化，共五種方案。見(jiàn)表3。

表3 葉片開(kāi)縫位置變化參數(shù)

圖7、圖8和表4給出了葉片不同開(kāi)縫位置對(duì)風(fēng)機(jī)在額定流量下的全壓和效率的影響結(jié)果。

由圖表看出，改造后風(fēng)機(jī)全壓分別得到明顯提高，盡管在大流量區(qū)和小流量區(qū)附近方案Ⅰ全壓提高比較多，但在額定流量附近全壓提高程度比不上方案Ⅲ；結(jié)合效率提高數(shù)據(jù)，顯然方案Ⅲ優(yōu)化方案最好，風(fēng)機(jī)在額定流量下全壓提高4.25%，效率提高1.49%。而方案Ⅳ，效率降低0.19%，主要是因?yàn)榭p隙開(kāi)到吸力邊高速區(qū)，通過(guò)縫隙流過(guò)來(lái)的流體與原葉輪內(nèi)高速的流體匯聚發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，引起沖擊損失。

圖7 不同開(kāi)縫位置下的壓頭提高值圖

圖8 不同開(kāi)縫位置下的效率提高值圖

表4 5種開(kāi)縫方案下的風(fēng)機(jī)全壓和效率提高值 %

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，從集流器流入葉輪流道時(shí)流體受到慣性力和哥氏力作用，在后盤(pán)附近形成高速區(qū)，即B剖面，因此流體在B剖面附近的流速和流量要大于A剖面，這樣，改善風(fēng)機(jī)的性能可從兩方面入手，一是提高前盤(pán)即A剖面的徑向速度，使出口的流體速度趨于均勻；二是優(yōu)化后盤(pán)附近的速度梯度。由圖9和圖10可以看出，開(kāi)縫后葉輪出口流體的速度整體上得到了提高，葉輪流道內(nèi)靠近后盤(pán)速度相對(duì)均勻布滿整個(gè)流道，未出現(xiàn)明顯的高速集聚區(qū)，流場(chǎng)更加合理。在子午面上與原風(fēng)機(jī)對(duì)比，軸向方向上速度均值較原來(lái)增加且速度梯度較小。因此，開(kāi)縫對(duì)葉輪流道內(nèi)的流場(chǎng)起到很好地改善，大大提高了風(fēng)機(jī)全壓和效率。

圖9 原葉輪子午面上速度分布云圖

圖10 方案Ⅲ葉輪子午面上速度分布云圖

由圖11可以看出，原風(fēng)機(jī)葉片流道吸力面出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，形成較大的渦流區(qū)；在流道后半段，在流道吸力面也出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。葉片壓力面的壓力比吸力面壓力高，在葉輪流道內(nèi)形成二次流（其分速度是沿葉輪圓周方向），同時(shí)，在離心力的作用下與沿圓周方向形成一定夾角。這樣，高速流體與低速流體在相互產(chǎn)生拉拽作用，造成動(dòng)能損失較大，加之二次流的阻礙影響，流出葉輪的流體質(zhì)量少很多，并且這樣結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行十分不利。而葉片開(kāi)縫后（見(jiàn)圖12），流道出口附近流體速度梯度較均衡分布，未出現(xiàn)回流，這是因?yàn)樽尳?jīng)縫隙流過(guò)部分流體對(duì)吸力面出口附近的流體起到吹散作用，不僅避免脫流現(xiàn)象，而且對(duì)吸力面低速流體起到了拉拽作用，對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)起到很好地改善作用。并且作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所開(kāi)縫隙正好對(duì)上邊界層脫離的前沿點(diǎn)時(shí)效果最好。

圖11 原葉輪內(nèi)部A、B剖面的速度云圖

圖12 方案Ⅲ中葉輪內(nèi)部A、B剖面的速度云圖

圖13 和圖14為原葉輪和方案Ⅲ所對(duì)應(yīng)沿不同截面上的速度分布。

圖13 剖面B尾流射流結(jié)構(gòu)圖

圖14 剖面B尾流射流結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)比較，所開(kāi)縫隙在葉片入口處(截面①)速度未發(fā)生明顯變化。在葉片出口處(截面②)發(fā)生了很大變化，葉片出口速度分布變得比較均勻一致，而原葉輪出口的速度從吸力邊到壓力邊差異較大，由此可見(jiàn)開(kāi)縫達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化的目的。

3 結(jié)論

(1)本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究了開(kāi)縫對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，研究結(jié)果表明，開(kāi)縫對(duì)風(fēng)機(jī)的性能改善是有利的，對(duì)流場(chǎng)有很大改善作用。

(2)當(dāng)開(kāi)縫參數(shù)a/c=1.67，b/c=0.169時(shí)風(fēng)機(jī)性能相對(duì)最優(yōu)，風(fēng)機(jī)全壓提高了4.25%，效率提高了1.49%。

(3)葉片開(kāi)縫后，從縫隙流過(guò)的流體可有效防止葉片表面邊界層的脫落，減小了流動(dòng)損失，而且開(kāi)縫位置對(duì)準(zhǔn)邊界層分離的前沿點(diǎn)時(shí)效果最好，使流道出口流體速度變得比較均勻一致。

(4)本文得到的最優(yōu)開(kāi)縫參數(shù)只是從有限的幾個(gè)方案中選取的，可能錯(cuò)過(guò)了最佳的開(kāi)縫角度和位置，這還有待進(jìn)一步的研究。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]安連鎖.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.

[2]孟憲德.風(fēng)機(jī)節(jié)能應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 [J].煤炭技術(shù)，2004，23(3)：15～16.

[3]黃冬濤，邊曉東，唐旭東，等.長(zhǎng)短葉片開(kāi)縫技術(shù)在離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，39（4）：6-9.

[4]劉飛，石匯林，吳克啟.葉片弦向開(kāi)縫抑制分離的數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，29（增刊 1）：145-148.

[5]楊科，王會(huì)社，徐建中，等.開(kāi)縫式風(fēng)力機(jī)靜態(tài)失速特性的研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（1）：32-35.

[6]本文得到了國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)《鋼鐵流程低品位余熱高效利用技術(shù)開(kāi)發(fā)與研究》(課題編號(hào)：2016YFC0401201)的大力資助。