大型高效離心通風機支撐管優(yōu)化設計

胡春佳

摘 要：在當前的社會經(jīng)濟發(fā)展建設中，離心通風機受到各個企業(yè)的廣泛使用，同時該設備也是影響國民經(jīng)濟的一個影響因素，除此之外，也是耗能設備的一種。當前，我國節(jié)能減排發(fā)展理念不斷提升，但在發(fā)展的背景下和風機的使用過程中，整體風機運行效率低下，且耗能較大。因此，相關部門要重視起對離心式風機的改造和創(chuàng)新以及對工作效率的提高，節(jié)能減排的發(fā)展理念有著一定的意義。基于此，本文就題目中相關內容展開分析，研究分析大型離心通風機支撐管結構對風機性能的影響。

關鍵詞：離心通風機;數(shù)值模擬;風機性能;安全性;支撐管布局優(yōu)化;節(jié)能

1研究方法

建立某大型高效離心式風機的三維建模圖，如圖1所示。

1.1數(shù)值模擬

（1）生成網(wǎng)格

根據(jù)風機模型進行網(wǎng)格劃分，風機網(wǎng)格分為進氣箱、葉輪、密封間隙以及蝸殼幾個部分。固體壁面設置10層邊界層，對于密封間隙等結構較小的區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，整機網(wǎng)格數(shù)量為3200萬。

（2）邊界條件

風機的邊界條件，進口設置為總溫總壓，出口設置為質量流量，湍流模型為SST;壁面采用無滑移條件。旋轉區(qū)域采用旋轉坐標系;動靜交界面進行靜止區(qū)域與旋轉區(qū)域的耦合計算。本文研究的風機邊界條件如表1所示。

1.2模態(tài)分析

模態(tài)分析是為計算在運行過程中各部件的固有頻率，以確保固有頻率與工作頻率間留有足夠的隔離裕度。本文進行模態(tài)分析的部件是風機機殼，在進行分析時，要求機殼前六階的固有頻率落在風機工作頻率的0.7～1.2倍之外的安全區(qū)域里。

2優(yōu)化支撐管前風機性能對比

2.1無支撐管風機

按圖1所示模型進行數(shù)值模擬計算，截取1/3葉高截面的速度矢量分布與壓力分布圖進行比較，發(fā)現(xiàn)流場中沒有出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，如圖2所示。

由此證明，該風機在氣動設計上已經(jīng)達到比較理想的狀態(tài)。氣動分析的最終結果，如表2所示。

要求。為驗證該風機運行的安全性，當在對風機機殼進行模態(tài)分析時發(fā)現(xiàn)機殼的一、二階固有頻率在0.7-1.2倍工作頻率之內，如表3所示。

由于風機機殼的工作頻率與固有頻率間沒有足夠的隔離裕度，在運行過程中存在共振風險，應增加機殼剛度來滿足安全運行的設計要求。

2.2支撐管原始布置風機

為滿足風機安全運行要求，最經(jīng)濟有效的方式是蝸殼內增加支撐管。傳統(tǒng)設計方法中為防止機殼自身的變形，會在蝸殼內布置6根直徑為Φ108mm的支撐管，如圖3所示。

對該風機機殼進行模態(tài)分析，結果顯示機殼前六階固有頻率都在設計要求的安全區(qū)域，保證風機可以安全運行，如表4所示。

由于支撐管在蝸殼內部，必然會對蝸殼內流場造成不利影響，對帶有原始布置支持管的風機進行數(shù)值模擬計算，如圖4所示。

從圖4中可以看出，支撐管位置有旋渦和低速區(qū)出現(xiàn)，流場不再均勻。支撐管原始布置風機氣動分析的最終結果如表5所示。

從表5中可以看出，增加支撐管后，整機效率下降近6個百分點，且不再滿足設計要求。綜上所述，該風機無支撐管時，盡管性能滿足設計要求，但機殼剛度不達標;而有支撐管時，盡管機殼剛度達標，但風機性能卻不滿足設計要求。因此，對提高剛性所需要的支撐管進行優(yōu)化，以便在滿足安全運行要求的同時改善風機的性能。

3支撐管布局優(yōu)化

對支撐管布局進行優(yōu)化，以滿足風機安全運行為前提，采用遞進方式從不同支撐管直徑、數(shù)量、布置位置三個方面的機殼模態(tài)及風機氣動性能進行數(shù)值模擬。要求每次優(yōu)化風機的效率提升0.5%以上。

3.1優(yōu)化支撐管直徑

支撐管為無縫鋼管，優(yōu)化支撐管直徑主要是減小其直徑。按遞減的方式選擇直徑小于Φ108mm的若干個無縫鋼管建立模型，并進行模態(tài)分析，結果如表6所示：

當支撐管直徑減小到Φ60mm時，機殼的一階固有頻率是工作頻率的1.14倍，達不到安全隔離裕度要求，因此，確定支撐管直徑為Φ83mm。對支撐管直徑為Φ83mm的模型進行數(shù)值模擬，如圖5所示。

與優(yōu)化前相比，風機蝸殼內支撐管位置的流場同樣有旋渦與低速區(qū)出現(xiàn)，氣動分析的最終結果如表7所示。

表7中顯示，優(yōu)化支撐管直徑后，風機的全壓有所升高，蝸殼內的全壓損失降低，整機效率增加了1.76%，滿足優(yōu)化要求。

3.2優(yōu)化支撐管數(shù)量

優(yōu)化支撐管數(shù)量是在優(yōu)化支撐管直徑的基礎上進行的，主要是要減少支撐管數(shù)量。從機殼出口開始，采取按間隔取消支撐管的方式，然后分別進行建模計算，其模態(tài)分析結果如表8所示。

當支撐管數(shù)量減少到3根時，機殼的一、二階固有頻率都達不到安全隔離裕度的要求。因此，確定支撐管數(shù)量為4根。

結語

綜上所述，通過上述的設計分析研究得出的結論是，當機殼支撐管的數(shù)量增多以及其管徑越大，就會導致蝸殼內壓力的消耗就越大，整體風機的運行效率就會也會低;同時支撐管的布置不規(guī)范，也會導致機殼內部流動性嚴重降低。所以在優(yōu)化作業(yè)中，通過數(shù)值模擬的方式，對支撐管結構進行優(yōu)化改造，一定程度上能夠提高風機的運行效率。

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