曹曉平 范杜平

（1.湖南廣播電視大學(xué)；2.湖南開放大學(xué)；3.長沙鼓風(fēng)機(jī)廠有限責(zé)任公司）

0 引言

在大型火電廠、鋼廠和水泥廠中，風(fēng)機(jī)是僅次于泵的耗電大戶，降低大型離心風(fēng)機(jī)的能耗及提高其運(yùn)行效率對提升系統(tǒng)節(jié)能非常重要。大多數(shù)在火電廠、鋼廠和水泥廠運(yùn)行的大型雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率僅為40%～60%，系統(tǒng)中大量使用的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)重制約離心風(fēng)機(jī)及其系統(tǒng)節(jié)能改造的實(shí)際效果和行業(yè)應(yīng)用推廣【1-5】。

近幾年相關(guān)學(xué)者對雙吸離心風(fēng)機(jī)做了一些研究，周紅【6】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(jì)，研究結(jié)果表明：該方法可以提高F 型離心風(fēng)機(jī)的整機(jī)效率。黃香彬[7]等使用數(shù)值模擬方法研究進(jìn)口分叉管道與進(jìn)氣箱進(jìn)氣角度對雙吸雙支撐離心風(fēng)機(jī)性能的影響：隨著分叉角度的增大，風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面的速度不均勻度越大，集流器出口氣流的渦流強(qiáng)度越強(qiáng)，風(fēng)機(jī)效率與全壓越低；而進(jìn)氣箱進(jìn)氣角度由45o旋轉(zhuǎn)至30o或60o時(shí)，風(fēng)機(jī)性能變化不大。

而對于工業(yè)上應(yīng)用雙吸離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有4種[8-15]：a）平行進(jìn)氣箱；b）無進(jìn)氣箱，大部分油煙機(jī)排風(fēng)扇為該結(jié)構(gòu)；c）對稱分叉進(jìn)氣箱；d）非對稱分叉進(jìn)氣箱。

本文采用數(shù)值模擬的方法研究以上4種不同的進(jìn)氣箱對雙吸離心風(fēng)機(jī)效率和全壓的影響，擬解決雙吸離心風(fēng)機(jī)在工程應(yīng)用上采取合理的進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)。

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雙吸離心風(fēng)機(jī)本體和進(jìn)氣箱，風(fēng)機(jī)本體的主要參數(shù)如表1所示。風(fēng)機(jī)葉輪的流體模型和風(fēng)機(jī)本體內(nèi)部流體模型如圖1所示。

表1 風(fēng)機(jī)本體的主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of fan

圖1 風(fēng)機(jī)本體流體模型Fig.1 The flow model of fan

4 種不同的進(jìn)氣箱流體模型分別如圖2 所示：進(jìn)氣管道相對進(jìn)氣箱偏差200mm。為了模擬計(jì)算，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口和蝸殼出口分別增加5m延長管道。

圖2 4種不同進(jìn)氣箱的模型圖Fig.2 4 Kinds of inlet boxes

1.2 研究方法

采用SOLIDWORKS 分別建立4 種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的流體三維模型圖，在ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界層的命名，最后導(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(jì)算結(jié)果的可靠性，網(wǎng)格的數(shù)量為700萬左右。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(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。邊界條件進(jìn)口采用全壓，全溫，溫度為25oC；出口給定6種不同的質(zhì)量流量對每種進(jìn)氣條件進(jìn)行模擬。

2 計(jì)算結(jié)果及其分析

通過模擬計(jì)算得到不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的全壓和多變效率，其中（a）、（c）和（d）全壓定義為蝸殼出口面（即出口延長段進(jìn)口邊界）平均靜壓-進(jìn)氣箱進(jìn)口面平均靜壓+蝸殼出口面平均動壓-進(jìn)氣箱進(jìn)口面平均動壓，（b）全壓定義為蝸殼出口面平均靜壓-進(jìn)風(fēng)口進(jìn)口面平均靜壓+蝸殼出口面平均動壓-進(jìn)風(fēng)口進(jìn)口面平均動壓。

多變效率定義為

其中，p2為蝸殼出口面平均靜壓+平均動壓，Pa；p1為進(jìn)氣箱(或者進(jìn)風(fēng)口)進(jìn)口面平均靜壓+平均動壓，Pa;T2為蝸殼出口面的平均溫度，K；T1為進(jìn)氣箱進(jìn)口面或者進(jìn)風(fēng)口進(jìn)口面的平均溫度，K。計(jì)算結(jié)果如表2。

2.1 不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的壓力分析

由表2 所知，同一質(zhì)量流量的條件下，當(dāng)質(zhì)量流量大于59.7kg/s時(shí)，（a）平行進(jìn)氣箱的全壓最低，（c）對稱分叉進(jìn)氣箱的全壓最高；當(dāng)質(zhì)量流量小于等于59.7kg/s，（b）無進(jìn)氣箱的全壓最高，而（a）平行進(jìn)氣箱的全壓最低。這說明了（a）平行進(jìn)氣箱不論是在小流量范圍還是大流量范圍全壓都是最低的，對雙吸離心風(fēng)機(jī)最為不利；而（b）無進(jìn)氣箱對小流量雙吸離心風(fēng)機(jī)的全壓是有利的；而（c）對稱分叉進(jìn)氣箱對大流量雙吸離心風(fēng)機(jī)的全壓是有利的。

表2 4種進(jìn)氣箱的全壓和多變效率Tab.2 The total pressure and variable efficiency of 4 inlet boxes

為了更好地理解不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)壓力云圖，本文對4種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下選取質(zhì)量流量為59.7kg/s、以蝸殼中間面距離2/3葉高平面和子午面壓力云圖進(jìn)行分析，如圖3所示。

從2/3 葉高平面的云圖發(fā)現(xiàn)，除了（b）無進(jìn)氣箱最大壓力已經(jīng)分布在蝸殼出面外，其余3種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的最大壓力云圖在蝸殼的外圍。而這種形成在蝸殼外圍的最大壓力現(xiàn)象，正是出口給定的質(zhì)量流量導(dǎo)致而成的，即出口安裝一個(gè)閥門，通過調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)形成的阻力；而且其他3種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的蝸舌部分會形成一個(gè)局部高壓區(qū)，說明帶進(jìn)氣箱的雙吸離心風(fēng)機(jī)的蝸舌是影響風(fēng)機(jī)效率最重要的。

從子午面的壓力云圖發(fā)現(xiàn)，從進(jìn)氣箱到進(jìn)風(fēng)口，然后至葉輪部分壓力云圖分層明顯：對于帶進(jìn)氣箱的，在進(jìn)風(fēng)口段存在明顯的低壓區(qū)和在葉輪中盤存在一個(gè)局部高壓區(qū)；而無進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)（b），在葉輪進(jìn)口邊緣形成一個(gè)高壓區(qū)，其軸盤模型是不可忽略的一個(gè)因素。

圖3 4種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的壓力云圖Fig.3 The pressure diagram of 4 kinds of inlet boxes

2.2 不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的速度分析

對4 種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)條件下選取質(zhì)量流量為59.7kg/s、以蝸殼中間面距離2/3葉高平面和子午面的速度云圖進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 4種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的速度云圖Fig.4 The speed diagram of 4 kinds of inlet boxes

從2/3葉高平面的速度云圖發(fā)現(xiàn)，葉片出口處存在局部低速區(qū)，葉輪出口與蝸殼進(jìn)口部位存在局部高速區(qū)，說明該風(fēng)機(jī)葉輪葉片的形式和蝸殼型線存在一個(gè)匹配優(yōu)化的問題。

從子午平面的速度云圖發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣箱存在明顯的低速區(qū)，蝸殼靠葉輪空擋位置存在高速區(qū)、非對稱分叉在進(jìn)氣箱管道出現(xiàn)明顯不對稱速度分布，且進(jìn)氣箱速度場出現(xiàn)明顯的惡化。

2.3 不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的多變效率分析

由表2 所知，同一質(zhì)量流量的條件下，當(dāng)質(zhì)量流量大于68.2kg/s 時(shí)，（a）平行進(jìn)氣箱的效率最低，其次為（b）無進(jìn)氣箱，再次為（d）非對稱分叉進(jìn)氣箱，多變效率最高為（c）對稱分叉進(jìn)氣箱；當(dāng)質(zhì)量流量小于等于68.2kg/s 大于51.2kg/s 時(shí)，（b）無進(jìn)氣箱多變效率最低，其次為（a）平行進(jìn)氣箱，再次為（d）非對稱分叉進(jìn)氣箱，多變效率最高為（c）對稱分叉進(jìn)氣箱；當(dāng)質(zhì)量流量小于51.2kg/s時(shí)，（b）無進(jìn)氣箱多變效率最低，其次為（c）對稱分叉進(jìn)氣箱，再次為（d）非對稱分叉進(jìn)氣箱，多變效率最高的是（a）平行進(jìn)氣箱。

從多變效率的比較中可以發(fā)現(xiàn)，對于大流量范圍，（c）對稱分叉進(jìn)氣箱的多變效率最高，而平行進(jìn)氣箱（a）的多變效率最低；對于小流量范圍，平行進(jìn)氣箱（a）的多變效率最高，無進(jìn)氣箱（b）的多變效率最低。

綜上所述，不論從多變效率還是全壓的角度，采用帶對稱分叉進(jìn)氣結(jié)構(gòu)適合大質(zhì)量流量范圍的情況；而對于小質(zhì)量流量的工況而言，采用無進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)其全壓最高，而效率反而低；采用平行進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)其全壓最低，而效率反而高。這也說明了在大型火電廠、鋼廠和水泥廠所采用的雙吸風(fēng)機(jī)，流量很大的情況，采用帶對稱分叉結(jié)構(gòu)更為合適；而在家電應(yīng)用的油煙機(jī)或者空調(diào)機(jī)所采用的雙吸風(fēng)機(jī)，流量相對不大，采用無進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)更為合適，但該類雙吸風(fēng)機(jī)效率普遍比較低。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究4 種不同的進(jìn)氣情況對雙吸離心風(fēng)機(jī)全壓和效率的影響，并通過在蝸殼中間面2/3 葉片平面和子午平面的壓力云圖和速度云圖來分析該風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中需要重視的事項(xiàng)，得到以下結(jié)論：

1）從多變效率和全壓的角度考慮，大流量的雙吸離心風(fēng)機(jī)建議采用帶對稱分叉進(jìn)氣結(jié)構(gòu)；對于小流量的雙吸離心風(fēng)機(jī)采用無進(jìn)氣箱的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，但其效率相對比較低；

2）雙吸離心風(fēng)機(jī)在使用過程存在葉輪與蝸殼的匹配問題，蝸殼蝸舌、進(jìn)氣箱的進(jìn)風(fēng)口段、葉輪軸盤是影響風(fēng)機(jī)性能的主要因素；而無進(jìn)氣箱軸盤對風(fēng)機(jī)性能的影響不可忽略。