大型高效離心通風機支撐管優化設計

胡春佳

摘 要：在當前的社會經濟發展建設中，離心通風機受到各個企業的廣泛使用，同時該設備也是影響國民經濟的一個影響因素，除此之外，也是耗能設備的一種。當前，我國節能減排發展理念不斷提升，但在發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新以及對工作效率的提高，節能減排的發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;數值模擬;風機性能;安全性;支撐管布局優化;節能

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數值模擬

（1）生成網格

根據風機模型進行網格劃分，風機網格分為進氣箱、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域進行網格加密處理，整機網格數量為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。旋轉區域采用旋轉坐標系;動靜交界面進行靜止區域與旋轉區域的耦合計算。本文研究的風機邊界條件如表1所示。

1.2模態分析

模態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倍之外的安全區域里。

2優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，發現流場中沒有出現明顯的分離現象，如圖2所示。

由此證明，該風機在氣動設計上已經達到比較理想的狀態。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分析時發現機殼的一、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，最經濟有效的方式是蝸殼內增加支撐管。傳統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出現，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支撐管布局優化

對支撐管布局進行優化，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、數量、布置位置三個方面的機殼模態及風機氣動性能進行數值模擬。要求每次優化風機的效率提升0.5%以上。

3.1優化支撐管直徑

支撐管為無縫鋼管，優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的模型進行數值模擬，如圖5所示。

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

表7中顯示，優化支撐管直徑后，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%，滿足優化要求。

3.2優化支撐管數量

優化支撐管數量是在優化支撐管直徑的基礎上進行的，主要是要減少支撐管數量。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，其模態分析結果如表8所示。

當支撐管數量減少到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范，也會導致機殼內部流動性嚴重降低。所以在優化作業中，通過數值模擬的方式，對支撐管結構進行優化改造，一定程度上能夠提高風機的運行效率。

參考文獻：

[1]劉軍芳.離心式礦用通風機監控系統性能的優化改進研究[J].機械管理開發，2019，34（11）：140-141+154.

[2]孫俊杰.礦用通風機故障分析及檢測方法研究[J].礦業裝備，2019（05）：92-93.

[3]馮培軍.離心式通風機結構優化研究[J].機械管理開發，2018，33（11）：101-102+167.

[4]尹建新，劉明國，王希華，王珍珍.離心式通風機選型與降本增效研究[J].中國設備工程，2018（18）：66-67.

[5]潘益寧.離心通風機性能優化[J].山東農業大學學報（自然科學版），2018，49（04）：615-618.