不同葉片型式對大型雙吸雙支撐離心風機性能影響的數值研究★

范杜平，曹曉平

（1.長沙鼓風機廠有限責任公司，湖南 長沙 410001；2.湖南開放大學，湖南 長沙 410001）

引言

大型火電廠、鋼廠和水泥廠當務之急是如何降低風機的能耗以提高其運行效率。而大多數火電廠、鋼廠和水泥廠運行的F 型傳動、徑向進氣的離心風機，很難達到II 級能效要求，嚴重制約風機系統節能改造的應用推廣[1]。

大型雙吸雙支撐離心風機樣機制作及試驗成本太高，大多風機均是在同類型的懸臂風機基礎上進行試驗研究，而進氣箱對離心風機的影響不可忽略,大多集中在數值模擬的基礎上。周紅[2-4]等用數值模擬的方法對F 型進氣箱、機殼結構進行優化匹配設計，結果表明，通過該方法可以提高F 型離心風機的整機效率。李景銀，牛子寧[5]提出了可控減速法設計離心風機兩元葉片理念，確定流道內平均速度的減速規律和葉片型式，在不改變原有氣動設計點參數和風機輪蓋盤幾何尺寸的前提下，可使葉輪流道內靜壓分布更加均勻，消除了分離損失。

本文采用數值模擬的方法研究3 種不同的葉片型式（直線葉片、圓弧葉片、對數螺旋葉片）對大型雙吸雙支撐離心風機Y6-2x31NO18F 全壓效率和全壓的影響，擬探討不同葉片型式在工程應用上的優劣。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本文研究的幾何模型包括Y6-2x31NO18F 風機本體、進口管道和出口管道，風機的主要參數如表1所示。3 種不同的葉片型式和葉輪子午面相關尺寸如圖1 所示。

表1 風機的主要參數

圖1 3 種不同葉片型式的葉輪結構圖（單位：mm）

1.2 研究方法

采用SOLIDWORKS 建立3 種不同葉片型式的葉輪流體三維模型圖，在ICEM 中進行網格劃分、網格組裝和邊界層的命名，導入CFX 進行流場模擬。網格劃分采用非結構性網格，通過開展網格無關性分析確保計算結果的可靠性。

在CFX 設置中認為流體不可壓，旋轉坐標系下的離散方程采用顯示耦合方法求解，湍流模型采用標準的K-E 模型，同時使用標準的壁面函數。邊界條件進口采用總壓、總溫，溫度為25 ℃；收斂精度取1×10-4；出口給定7 種不同的體積流量對每種不同葉片型式的結構進行模擬計算。

2 計算結果及其分析

通過模擬計算得到不同葉片型式各種流量對應的全壓和全壓效率。3 種不同葉片型式模擬計算結果使用python 軟件繪制性能比較曲線如圖2所示。

圖2 3 種不同葉片型式的離心風機性能比較曲線

2.1 不同葉片的全壓效率分析

由圖2 所知，當體積流量低于160 000 m3/h 時，對數螺旋葉片的全壓效率最高，直線葉片最低；當體積流量高于160 000 m3/h，圓弧葉片的風機的全壓效率最高，直線葉片最低。在體積流量115 000～150 000 m3/h 范圍內，對數螺旋葉片的全壓效率均超過80%，超過一級能效標準的79%，圓弧葉片均超過二級能效標準的75%；而原Y6-2x31NO18F 的直線葉片效率均低于二級能效標準的75%。

2.2 不同葉片的壓力分析

從壓力云圖3 發現，對數螺旋葉片的壓力分布過渡十分平滑；直線葉片的在葉輪出口處的過渡存在突點。三種葉片型式的葉輪在蝸殼蝸舌周圍都存在壓力分布不均勻的現場，其主要原因是蝸殼出口部分的高壓導致此處葉輪氣流受到阻塞而形成的。

圖3 3 種不同葉片型式的壓力云圖

2.3 不同葉片的速度分析

從速度云圖4 發現，葉輪出口與蝸殼進口圓周部分都存在一小股高速氣流，其中直線葉片流速最大，對數螺旋葉片最小。現象說明：葉輪出口流速越大，流動損失越大，出口流速的增大同時促使葉輪出口內部低速區的形成，更加劇了葉輪出口流動分離現象，從而增大流動損失，以直線葉片最為明顯；葉輪出口流速越低，流動損失越小，出口流速的減小抑制了葉輪出口內部低速區的形成，顯著改善葉片出口流動分離現象從而降低流動損失，以對數螺旋葉片最為明顯。

圖4 3 種不同葉片型式的速度云圖

綜上所述，不論從壓力云圖、速度云圖還是全壓效率分析，均可以發現對數螺旋葉片對應的離心風機的效率最高、壓力分布過渡更為平滑、速度分布過渡更為流暢。

3 結論

本文采用數值模擬的方法研究了3 種葉片（直線葉片、圓弧葉片和對數螺旋葉片）對大型雙吸雙支撐離心風機性能的影響，并通過距離蝸殼中間面2/3葉高平面壓力云圖及速度云圖來分析不同葉片內部流場的情況，得到以下結論：

1）在不改變原Y6-2x31NO18F 大型雙吸雙支撐離心風機的蝸殼、進氣箱和進風口的前提下，只改變葉片型式，可以提高風機的整機效率；

2）對數螺旋葉片風機性能優越的重要原因是氣流從葉輪進口到出口的流速逐漸減小，到達葉輪出口的氣流速度最小，顯著改善葉片出口流動分離現象，從而降低了葉輪出口的流動損失；

3）在不改變原大型雙吸雙支撐離心風機的土建基礎上，只改變葉輪葉片型式可以達到節能改造的要求，對數螺旋葉片或者圓弧葉片值得推廣。