離心鼓風機葉片參數的優化與評估

康 鑫

（華陽集團新能股份有限公司煤層氣開發利用分公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

離心鼓風機被廣泛應用于通風、化工、電力、煤炭以及石油等行業，其主要功能是完成氣體輸送的機械部件。目前，離心鼓風機的設計主要基于一元流和二元流的理論進行設計；但是，離心式鼓風機的內部流程屬于三維的且非常復雜的狀態。也就是說，當前離心式鼓風機普遍表現為產品效率低，導致電能被嚴重浪費。因此，基于數值仿真模擬手段并以離心鼓風機為例，重點對其內部關鍵進行優化設計。

1 離心鼓風機模型設計

1.1 模型構建

本文所研究離心鼓風機的具體結構參數如表1所示。

表1 離心鼓風機結構參數

基于表1 中離心鼓風機的結構參數，采用Solid-Works 軟件構建三維模型，尤其是凸顯其中的進口、葉輪以及蝸殼三個關鍵部件。將SolidWorks 三維結構模型導入CFD 數值模擬仿真模型中。根據后續數值模擬仿真需求，設定CFD 模型中關鍵部件的網格數量，將進口部件的網格數量劃分為283 064 個，蝸殼的網格數量劃分為2 151 758 個，葉輪的網格數量劃分為228 646 個，所構建的離心鼓風機經網格劃分后的模型如圖1 所示。

圖1 離心鼓風機數值模擬模型

設定數值仿真模型的入口條件如下：壓力設定為101 325 Pa，溫度設定為292.15 K。出口壓力的邊界條件設定為20 kPa。為保證所構建的模型與實際模型相接近，將所構建模型中各個部件的內部粗糙度設定為0.2 mm；并在數值模擬仿真計算時將全局殘壓按照10-6進行收斂[1-2]。

1.2 離心式鼓風機模型的驗證

為了保證后續通過數值模擬分析后對其內部結構參數進行優化結果的準確性，本章對離心式鼓風機數值模擬模型的準確性進行驗證。驗證思路：對離心式鼓風機在不同工況下其出口壓力和多變效率隨著流量的變化率與離心鼓風機的實際實驗結果進行對比。

以離心式鼓風機出口靜壓力仿真與實驗對比為例，離心式鼓風機出口靜壓力仿真與實驗對比結果如圖2 所示。

圖2 出口靜壓力仿真計算與實驗測試結果對比

由圖2 可知，在離心式鼓風機的設計工況點，數值模擬仿真分析的結果與實驗測試結果非常吻合，相對誤差僅為0.78%。當在離心式鼓風機的小流量工況點時，數值模擬仿真結果比實驗測試結果大，導致此種現象的主要原因為當設備處于流量工況時，數值模擬結果難以收斂，而且在小流量工況下出口靜壓力的最大相對誤差為2.83%。

綜上所述，從出口靜壓力這一項參數分析可知，即便是在最小流量工況下數值模擬結果與實驗測試結果的相對誤差小于3%。

同理得出，當在離心鼓風機的設計工況點時，對于多變效率這一參數而言，數值模擬結果與實驗測試結果的差距較大，其相對誤差為1.74%。而對于離心鼓風機的功率而言，實驗測試所得的軸功率在所有工況條件下均小于數值模擬結果。

因此，可以得出本文所構建的離心鼓風機的數值模擬模型可指導后續其內部參數的優化設計，即說明所構建的離心鼓風機的數值模擬模型合理且可靠。

2 離心鼓風機內部參數的優化設計

葉片數、葉輪出口角等參數為離心鼓風機的核心內部參數。本章重點通過數值模擬分析對上述參數進行優化設計。在優化設計可知：隨著離心鼓風機轉速的增大，其對應的性能曲線越發陡峭，即其在穩定工作區域內的范圍越小；而且，當離心鼓風機的轉速越高時，設備對應的性能曲線將朝著大流量的方向移動[3-4]。

2.1 葉片數量的優化

葉輪葉片數量對離心鼓風機性能影響較大。從理論上講，當葉片數量較大時，由于摩擦阻力增大導致其效率降低；將葉片數量減少時，對應渦流損失增大，而對應的摩擦損失減小。也就是說，為了保證離心鼓風機的效率最大，要求渦流損失與摩擦損失的總的損失量最小對應的葉片數量為最佳。鑒于該離心鼓風機原葉片數量為19，本節分別對葉片數量為18、20 和21 個四種情況下對應的出口靜壓力、多變效率、全壓效率以及軸功率進行對比。

以不同葉片數量對應離心鼓風機出口靜壓力為例，仿真結果如圖3 所示。

圖3 不同葉片數量在不同流量下的離心鼓風機的出口靜壓力變化

由圖3 可知，當葉片數量一定時，隨著流量的增加對應出口靜壓力減小；在同一流量下，隨著葉片數量的增加對應出口靜壓力增加，不同的是，在大流量工況下出口靜壓力的增幅大于小流量工況。

但是，從全壓效率角度分析，雖然葉片數量為20和21 個時對應的全壓效率均高于葉片為19 個情況；但是，當葉片數量為21 個時對應的設備的全壓效率在全流量工況下均低于70%。因此，最終確定葉片數量為20 個[5]。

2.2 葉片出口角度的優化

鑒于離心鼓風機原葉片出口角度為50°，本節分別對葉片出口角度為48°、53°、55°、57°和58°六種情況下對應的出口靜壓力、多變效率、全壓效率以及軸功率進行對比。

以不同葉片數量對應離心鼓風機的多變效率為例，仿真結果如圖4 所示。

圖4 不同葉片數量在不同流量下的離心鼓風機的多變效率變化

由圖4 可知，當離心鼓風機在大流量工況下運行時（流量大于400 m3/min），當葉片出口角度為53°、55°、57°和58°時，多變效率均高于葉片出口角度為50°的情況；當離心鼓風機在小流量工況下運行時（流量小于400 m3/min），僅當葉片出口角度為57°時，多變效率均高于葉片出口角度為50°的情況。綜上所述，可以確定離心鼓風機葉片出口角度的最佳值為57°。

2.3 綜合優化后效果對比

分別對離心鼓風機葉片數量優化為20 個和葉片出口角度優化為57°后，離心鼓風機在入口流量為400 m3/min 下的工況進行對比，對比結果如表2所示。

表2 鼓風機綜合優化工況對比（400 m3/min）

由表2 可以看出，對鼓風機的葉片數量和出口角度進行優化設計后，鼓風機在流量為400 m3/min 工作下對應的靜壓力、軸功率、多變效率以及全壓效率等綜合指標均高于原機型。

3 結論

離心鼓風機為運輸氣體的核心部件，在實際運行中其主要存在的問題為效率，主要原因為離心鼓風機設計的理論與其復雜的三維內部流場不相符。為此，本文通過數值模擬仿真手段對其內部結構參數進行優化。具體總結如下：

1）經仿真分析，所構建的數值模擬仿真模型與實驗測試結果，出口靜壓力的最大相對誤差為2.83%，多變效率相對誤差為1.74%；

2）經仿真分析，葉片最佳數量為20 個，葉片出口角度為57°；優化后多變效率較之前提高1.239%，全壓效率提高0.532%，出口靜壓力提高1 847.0 Pa。