不同葉片型式對大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)性能影響的數(shù)值研究★

范杜平，曹曉平

（1.長沙鼓風(fēng)機(jī)廠有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410001；2.湖南開放大學(xué)，湖南 長沙 410001）

引言

大型火電廠、鋼廠和水泥廠當(dāng)務(wù)之急是如何降低風(fēng)機(jī)的能耗以提高其運(yùn)行效率。而大多數(shù)火電廠、鋼廠和水泥廠運(yùn)行的F 型傳動、徑向進(jìn)氣的離心風(fēng)機(jī)，很難達(dá)到II 級能效要求，嚴(yán)重制約風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造的應(yīng)用推廣[1]。

大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)樣機(jī)制作及試驗成本太高，大多風(fēng)機(jī)均是在同類型的懸臂風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗研究，而進(jìn)氣箱對離心風(fēng)機(jī)的影響不可忽略,大多集中在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上。周紅[2-4]等用數(shù)值模擬的方法對F 型進(jìn)氣箱、機(jī)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化匹配設(shè)計，結(jié)果表明，通過該方法可以提高F 型離心風(fēng)機(jī)的整機(jī)效率。李景銀，牛子寧[5]提出了可控減速法設(shè)計離心風(fēng)機(jī)兩元葉片理念，確定流道內(nèi)平均速度的減速規(guī)律和葉片型式，在不改變原有氣動設(shè)計點(diǎn)參數(shù)和風(fēng)機(jī)輪蓋盤幾何尺寸的前提下，可使葉輪流道內(nèi)靜壓分布更加均勻，消除了分離損失。

本文采用數(shù)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(shù)螺旋葉片）對大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)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(yīng)用上的優(yōu)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(fēng)機(jī)本體、進(jìn)口管道和出口管道，風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。3 種不同的葉片型式和葉輪子午面相關(guān)尺寸如圖1 所示。

表1 風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)

圖1 3 種不同葉片型式的葉輪結(jié)構(gòu)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(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格組裝和邊界層的命名，導(dǎo)入CFX 進(jìn)行流場模擬。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，通過開展網(wǎng)格無關(guān)性分析確保計算結(jié)果的可靠性。

在CFX 設(shè)置中認(rèn)為流體不可壓，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的離散方程采用顯示耦合方法求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的K-E 模型，同時使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。邊界條件進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算。

2 計算結(jié)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(yīng)的全壓和全壓效率。3 種不同葉片型式模擬計算結(jié)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(fēng)機(jī)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(dāng)體積流量低于160 000 m3/h 時，對數(shù)螺旋葉片的全壓效率最高，直線葉片最低；當(dāng)體積流量高于160 000 m3/h，圓弧葉片的風(fēng)機(jī)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(nèi)，對數(shù)螺旋葉片的全壓效率均超過80%，超過一級能效標(biāo)準(zhǔn)的79%，圓弧葉片均超過二級能效標(biāo)準(zhǔn)的75%；而原Y6-2x31NO18F 的直線葉片效率均低于二級能效標(biāo)準(zhǔn)的75%。

2.2 不同葉片的壓力分析

從壓力云圖3 發(fā)現(xiàn)，對數(shù)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(diǎn)。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(xiàn)場，其主要原因是蝸殼出口部分的高壓導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，葉輪出口與蝸殼進(jìn)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(shù)螺旋葉片最小。現(xiàn)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(nèi)部低速區(qū)的形成，更加劇了葉輪出口流動分離現(xiàn)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(nèi)部低速區(qū)的形成，顯著改善葉片出口流動分離現(xiàn)象從而降低流動損失，以對數(shù)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(fā)現(xiàn)對數(shù)螺旋葉片對應(yīng)的離心風(fēng)機(jī)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(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究了3 種葉片（直線葉片、圓弧葉片和對數(shù)螺旋葉片）對大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)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(nèi)部流場的情況，得到以下結(jié)論：

1）在不改變原Y6-2x31NO18F 大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)的蝸殼、進(jìn)氣箱和進(jìn)風(fēng)口的前提下，只改變?nèi)~片型式，可以提高風(fēng)機(jī)的整機(jī)效率；

2）對數(shù)螺旋葉片風(fēng)機(jī)性能優(yōu)越的重要原因是氣流從葉輪進(jìn)口到出口的流速逐漸減小，到達(dá)葉輪出口的氣流速度最小，顯著改善葉片出口流動分離現(xiàn)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(fēng)機(jī)的土建基礎(chǔ)上，只改變?nèi)~輪葉片型式可以達(dá)到節(jié)能改造的要求，對數(shù)螺旋葉片或者圓弧葉片值得推廣。