4-72離心風機蝸殼與葉輪適配性研究及其工程化

(華北電力大學，保定 071000)

1 蝸殼半徑設計方法研究

1.1 移植對象及其設計參數和性能參數

文中以華北電力大學風機實驗室中的4-72 №3.2A型離心風機蝸殼為研究對象。其設計參數和產品樣本性能參數分別見表1-2。

表1 4-72№3.2A型離心風機設計參數

表2 4-72№3.2A型離心風機產品樣本性能參數

1.2 設計方法簡介

以等環量法和遺傳算法為基礎[16]，可得蝸殼半徑Rφ的表達式為：

(1)

式中,B為蝸殼寬度，m；Qn為任意截面上流量，m3·s-1；R為蝸殼半徑，m；C2u為氣流離開葉道出口時的周向速度，m·s-1。

為考慮變工況下蝸殼半徑對風機性能的影響，引入一個流量修正系數(如式(2)所示)，以替代式(1)中的φ。

(2)

利用表2中的8個工況參數，將文獻[8]的研究方法移植于該風機，對修正參數K1、K2進行尋優，可得引入流量修正系數后的蝸殼半徑如式(3)所示：

(3)

1.3 移植結果

依據上述公式，對文中給出的蝸殼型線所需尺寸參數進行了計算。具體步驟參見文獻[11]，在此不做詳述，計算結果見表3。

表3蝸殼型線近似作圖尺寸參數

根據表1與表3中的數據，對文中給出的蝸殼型線通過Auto CAD軟件進行近似作圖，并與改造前蝸殼型線進行對比，如圖1所示。

圖1 蝸殼半徑修正前后對比圖

由圖1可以看出，與修正前比較，修正后蝸殼半徑具有“小旋轉角時半徑小、大旋轉角時則反之”的特點，符合之前的預期。

2 數值模擬研究

2.1 物理模型建立

根據4-72№3.2A型離心風機及其進氣裝置幾何參數，將其流場分為入口段、葉輪和蝸殼三個流域。

2.2 單值性條件設置

文中使用CFX作為求解器，其主要設置操作如下：

(1)設置模擬類型為穩態模擬；

(2)工質為1 atm下的20 ℃空氣；

(3)將流域Ⅰ、流域Ⅱ和流域Ⅲ依次設置命名為INLET COLLECTOR、IMPELLER FLUID和VOLUTE OUTLET三個計算域：

(4)入口邊界條件為質量流量速率，其溫度設置為靜態溫度，293 K；出口邊界條件設置為壓力出口，相對壓強設置為0 Pa；壁面條件均設置為無滑移壁面：

(5)湍流模型選擇RNG k-ε模型進行計算。

2.3 數值模擬結果分析

對蝸殼改造前、后的風機進氣性能實驗系統進行數值模擬，其全壓和內效率模擬結果如圖2所示。

圖2 蝸殼改造前后風機數值模擬結果對比

為分析蝸殼改造前后對風機蝸殼內流場的影響，對蝸殼流域做周向縱截面圖。縱截面范圍由φ=/2至φ=2每隔/6做一縱截面，共10個截面，對應編號為C01至C10，并以葉輪中心為基準作蝸殼流域橫截面及其速度云圖，如圖3和圖4所示。在圖4中，黑色為速度矢量圖例，彩色為速度云圖圖例。

圖3 蝸殼橫截面速度云圖及各縱截面位置示意圖

圖4 改造前后蝸殼各縱截面速度矢量圖及速度云圖

由圖4的速度矢量圖可以看出，在徑向方向上，氣流由葉輪出口流向壁面，受壁面阻礙作用在截面上方形成旋渦。在C01～C03截面，由于張開度較小，氣流受壁面影響大，在后盤下方形成渦，在蝸殼中部大量氣流轉向而只有少量氣流繼續向上方流動進而轉向形成渦；在C04～C10截面，張開度隨著旋轉角的增加而增大，氣流由葉輪出口較均勻地向下方流動至蝸殼壁面附近再向上流動，最終由于受到壁面約束形成旋渦。

對比分析圖4同一截面位置的速度云圖，在C01～C03截面，低速區的位置及大小因改造后對應的張開度減小而發生了變化。在截面上方低速區明顯減小，而在下方邊角處低速區略有增加；在C04～ C10截面，改造后的低速區較改造前均減小，特別是C07～C10截面，有更好的均勻度且在邊角也有更好的充滿度。由上述分析可知：改造后風機蝸殼內部的流場較改造前確有改善。

為進一步研究改造后風機蝸殼內流場特性的變化，還需要作進一步的定量分析。現對C01～C10截面直至OUTLET截面的靜壓恢復值ΔpstC進行分析。

圖5 蝸殼改造前后其各縱截面靜壓恢復值ΔpstC對比

在小流量條件下，當180<φ<300時，改造后的靜壓恢復值pstC高于改造前；而當φ<180或φ>300時，則反之。原因是：小流量時，葉輪出口流量不均；而改造后的蝸殼半徑較改造前在旋轉角φ<250時半徑小且在旋轉角φ大時半徑大，加劇了葉輪出口的不均勻性。因而當φ<180，改造后蝸殼半徑變小，因受蝸殼壁面影響動壓能轉化靜壓能較改造前多，故ΔpstC2<ΔpstC1；當φ>300，改造后蝸殼半徑變大，因受擴壓作用影響動壓能轉化靜壓能較改造前多，故ΔpstC2<ΔpstC1；當180<φ<300，受葉輪出口流量及兩端影響，故ΔpstC2<ΔpstC1。

在中流量條件下，蝸殼內流體充滿效果好，改造后的蝸舌間隙減小對蝸殼內流動影響較小，且φ<150改造前、后蝸殼半徑相對變化不大，ΔpstC2較pstC1在φ<150變化不大；在φ>250時，由于改造后的蝸殼半徑大于改造前，故ΔpstC2

3 離心風機進氣性能試驗研究

3.1 進氣性能試驗系統及其裝置

試驗所用的試驗臺及試驗設備布置如圖6所示。

圖6 離心式風機進氣試驗裝置示意圖1.傾斜式微壓計；2.節流網；3.傾斜式微壓計；4.進氣管道；5.試驗風機；6.功率表；7.手持式轉速表；8.靜壓測點；9.穩流柵；10.集流器

試驗對象為4-72№3.2A型離心風機(改造前、后)，改造前，其運行參數范圍見表4。

表4改造前風機運行參數范圍

3.2 試驗方法簡介

在本離心風機進氣性能試驗中，風機的流量通過改變集流器入口節流網層數來調節。對蝸殼半徑改造前后的風機分別進行了進氣性能試驗，并將試驗結果換算為標準進氣狀態。

上述分析表明：與改造前比較，在較大相對流量變化范圍內，改造后風機的靜壓變化較小，而隨著流量的不斷增大，軸功率降低的趨勢則越來越顯著，而這正是我們預期的結果。

試驗和數值模擬研究結果表明：改造后的風機性能與流場均較改造前略有改善。因此，可認為文獻[8]所給出的基于遺傳算法且考慮葉輪出口流量不均影響的蝸殼半徑設計方法具有一定的合理性，且具有可移植性。

4 蝸殼半徑設計方法工程化

為便于該設計方法在工程化改造時使用，現利用MATLAB GUI完成其蝸殼半徑計算與繪圖，并輸出蝸殼型線數據表。

對4-72№3.2A風機改造前、后的研究表明：上文所給出的蝸殼型線設計方法有一定合理性。為便于該設計方法在工程化改造時使用，現利用MATLAB GUI使該設計方法工程化，使之能輸出蝸殼型線數據表。

4.1 設計流程

文中軟件設計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設計流程圖

4.2 設計軟件功能

按流程設計了蝸殼半徑設計軟件，其主要有六個部分。

風機選型界面分為左右兩部分。右側可根據不同風機進行選型設置。預留了風機類型的接口以便將本設計方法推廣到其它類型的離心風機。通過在“風機機號”選項內輸入數據，可將文中給出的4-72№3.2A離心風機蝸殼半徑設計方法的結果(界面中稱遺傳優化方法)拓展到其它機號的4-72風機。完成風機選型設置，點擊計算按鈕，即可得出相應的實際型線、理論計算型線及遺傳設計型線(文中給出的)并在左側顯示。

風機參數界面可顯示出風機蝸舌間隙和最大張開度在改造前、后的數據；機性能界面主要為顯示改造前風機的全壓、內效率和軸功率；修正界面可對遺傳優化型線進行修正，可以通過蝸舌間隙和最大張開度增量對蝸殼型線微調，以增強對不同機號風機的適應能力；對比擇優界面可對修正型線進行篩選和對比。終止角度系數則是為了讓蝸殼的直線段與螺旋線段相切，減小蝸殼內的流動損失；輸出界面的目的是將用于型線繪制的數據表輸出至指定的Excel表格，并留有輸出型線類型以及輸出類型的接口。

5 結束語

(1)文中給出的基于基因遺傳算法且考慮了葉輪出口流量不均影響的設計方法是合理的。

(2)與改造前比較，改造后風機的整體試驗性能得到提升，軸功率最多可降低3.7%，靜壓效率最多可提高2.9%；模擬相對流量為1.039時，其蝸殼內流場明顯改善；隨著流量的增大其改造效果愈加顯著，全壓和內效率最多可提高1.6%和1.9%。

(3)設計并完成的該系列離心風機蝸殼半徑設計軟件，可輸出蝸殼型線數據表，便于其工程化改造時使用。