輪蓋結構及間隙的風機優化設計

陳冀陶

（中國石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

風機是工業生產中的重要設備，每年都消耗大量的能源，對其進行優化提升性能，有助于節能減排和生態環保目標的實現。當前的研究主要集中于風機葉輪結構的優化，關于風機蝸殼與間隙的研究較少。為了彌補這一不足，多方面提升風機性能，本文通過數字化模型實驗與經驗分析相結合的方式，研究蝸殼形狀、輪蓋間隙與葉片安裝角等參數對靜壓效率的影響。

1 實驗設計與驗證

根據國家相關標準，設定風機實驗的條件為：標準大氣壓下，常溫26 ℃，空氣濕度70%。圖1 為風機實驗場景，整個實驗共進行12 個測量點的驗證，采用U 形壓力計獲取壓力數據。實驗前的準備工作有實驗裝置完好性與安全性檢查、實驗環境檢查、實驗條件與輔助設備檢查等。

圖1 實驗系統現場

由于風機實驗需要準確的數據，因此各工況點的檢測都需要確認風機穩定運行后進行。圖2 為本次實驗獲得的數據，風機的效率最高點出現在轉速5841 r/min、風量289 m3/h 時，實驗數據表明在這一工況下風機獲得了最佳靜壓輸出。但考慮到生產實踐中不僅需要較高的靜壓輸出效率，還需要保證一定的靜壓差，因此將風機轉速提高到6135 r/min，風量降低到233 m3/h，并以此時的工作狀態作為研究對象。

圖2 風機靜壓及靜壓效率曲線

在風機進氣口和出風口前端1.4 m 處設置U 形壓力計測量風壓，此時室內溫度26 ℃，風機穩定工作并保持風量233 m3/h，測得出風口靜壓力為2050 Pa，風機的靜壓差為1990.72 Pa。根據風機的工作穩定性得出壓差精度在2.9%左右，與模型相數據相吻合，這證明數字化模型是正確的，誤差范圍也符合工程實際應用的要求，計算模型的精度能夠滿足實際需求。

2 風機幾何參數敏感性研究

2.1 上蓋板結構

原風機蝸殼上殼體有較多的凸凹，使風機產生氣流損失，造成靜壓效率的降低。改進后將風機蝸殼上殼體做成平整的結構，在相同的實驗條件下對原風機和改進后的風機進行測試，測量同一位置的靜壓等數據（圖3）：壓力低于1300 Pa 時，風機蝸殼上殼體的平整度對靜壓效率無明顯的影響，但原風機風量更大；壓力高于1300 Pa 時，改進后的風機不但風量更大，靜壓效率也明顯提升。因此，改變風機蝸殼上殼體平整度對壓力較高工況下的氣動性能有明顯影響。

圖3 風機靜壓及靜壓效率對比

2.2 葉片前安裝角

葉輪作為風機的核心部件，是產生風壓的主要元件。在風機壓力損失中，葉輪位置能夠產生決定性的影響，葉輪的形狀決定了其性能，葉輪的形狀主要包含葉片安裝角、葉片厚度、葉片數、蝸殼型線、輪蓋間隙以及子午流道形狀等參數，在這些參數中又以葉片安裝角的影響最大。按照風機設計經驗，葉片安裝角一般為30°、原風機葉片安裝角為29°，在數字化模型風機的實驗中葉片安裝角分別為27°和31°，葉片厚度、葉片數、蝸殼型線、輪蓋間隙以及子午流道形狀等參數保持不變。實驗結果顯示，葉片安裝角為31°時可以獲得最佳性能。

2.3 輪蓋間隙

原風機蝸殼上殼體有較多的凸凹，導致風機出現氣流損失和靜壓力效率下降的問題，風機整體性能不高。對蝸殼上殼體進行了平整化改進，并通過實驗證明殼體平整度對壓力較高工況下的氣動性能有明顯提升作用。為確定輪蓋間隙對靜壓效率的影響程度，采取數字化模型進行風機性能試驗。

在數字化模型風機的實驗中，輪蓋上間隙不變，葉片安裝角、葉片厚度、葉片數、蝸殼型線及子午流道形狀等參數也保持不變，分別進行輪蓋下間隙分別為6 mm、3 mm 工況下的風機性能試驗。實驗結果顯示，輪蓋間隙較小時可以獲得更佳的風機性能。

3 流場分析

在數字化模型風機實驗平臺對改進后的風機進行流產分析。采用平整的蝸殼上殼體，葉片安裝角度為31°，輪蓋間隙為3 mm，這時對其流場進行分析，測量點Z1、Z2、Z3、Z4的設置如圖4 所示。

圖4 主要截面示意

圖5 為改進前后風機在相同工況下Z1截面的速度場模擬結果，表明上殼體平整化后能明顯減少漩渦的產生，二次流損失明顯降低。未改進的風機會在上殼體凸凹處產生明顯的漩渦，這是因為凸起的蝸殼阻礙了氣流的前進。蝸殼不平整還會導致在蝸殼附近的周向位置產生漩渦，這是因為氣流與殼體側面發生了碰撞，同時會進一步加劇二次流損失、導致風機的靜壓效率下降。改進后的風機雖然也會產生漩渦，但漩渦位置下降、漩渦的影響范圍變小，使風機的二次流損失降低。

圖5 不同蝸殼結構Z1 截面流線圖

從圖6 可以看出，葉輪余下蓋板間的漩渦變小，這是因為風機進出口的壓力差較大，在氣流出口位置前后盤的空隙中受壓力作用溢出氣流，并沿著縫隙回流至低壓區，形成了典型的二次流現象。此外，在葉輪頂部大量氣流倒流進入葉輪內部、導致能量下降低，經過一系列的壓縮、碰撞和沖擊后氣流到達出口處時能量進一步降低，產生了不必要的能量損失。因此，考慮通過降低輪蓋間隙的辦法減少能量損失。

圖6 模型在Z1 截面流線圖

4 結論

采用數字化模型與經驗數據相結合的方式研究風機的優化設計，探索內部流場的規律，分析結果顯示該風機蝸殼上殼體不平整導致二次流增加，在壓力超過1300 Pa 后靜壓效率明顯下降。對蝸殼上殼體進行平整化改進后，風機的整體性能得到提升，主要表現在以下3 個方面。

（1）蝸殼上殼體平整化后，二次流損失明顯降低，風機葉片附近的漩渦變小，能量損失減少，靜壓效率提升2%左右。

（2）縮小輪蓋間隙后可以有效減少能量泄漏，降低二次流的產生，風機靜壓效率提升民1.1%。

（3）風機葉輪葉片的安裝角由30°改為31°后，氣流泄漏降低，能量損失減少，風機靜壓效率提高了1.2%。