呂玉坤張波*/華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

程博/中廣核工程有限公司

基于CFD的離心風(fēng)機(jī)葉輪中心位置優(yōu)化研究

呂玉坤張波*/華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

程博/中廣核工程有限公司

以G4-73№8D離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用NUMECA軟件對(duì)改變風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼徑向相對(duì)位置的不同方案進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了最佳葉輪中心位置;對(duì)比分析原風(fēng)機(jī)與葉輪中心位置優(yōu)化后風(fēng)機(jī)，在額定工況與變工況下的內(nèi)部流場(chǎng)，表明了優(yōu)化后風(fēng)機(jī)葉輪與蝸殼徑向適配性增強(qiáng)。

離心風(fēng)機(jī)；徑向相對(duì)位置；優(yōu)化；徑向適配性；數(shù)值模擬

0 引言

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)作為重要輔機(jī)，是主要的耗電大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)耗電量約占廠用電量的30%[1]，占機(jī)組發(fā)電量的1.5%～3%[2]。因此，研究和改造風(fēng)機(jī)以提高其性能，對(duì)火電廠的節(jié)能增效具有重要意義[3]。本文重點(diǎn)討論對(duì)象為G4-73№8D型離心風(fēng)機(jī)，適用于普遍采用中、小型發(fā)電機(jī)組配套的離心式風(fēng)機(jī)的優(yōu)化改造。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心風(fēng)機(jī)的研究主要集中于葉輪和蝸殼的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性的研究，而對(duì)葉輪最優(yōu)中心位置的研究相對(duì)較少。朱之墀[4]、張建[5]、王建[6]等對(duì)葉片通流部分進(jìn)行了改造。Dawes提出離心壓縮機(jī)中有2/3的損失發(fā)生在擴(kuò)壓器中[7-9]。Nursen[10]等預(yù)測(cè)了離心泵蝸殼內(nèi)部的三維旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。在蝸殼結(jié)構(gòu)中，蝸舌間隙是研究重點(diǎn)。王丙湘等[11]分析了離心式通風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)改造效果，得出當(dāng)間隙尺寸和蝸舌位置控制在規(guī)定范圍時(shí)，可以極大地減少泄漏損失。因此，探討蝸殼與葉輪的徑向適配性，探尋最優(yōu)葉輪中心位置，就有可能減小蝸殼流道內(nèi)的流動(dòng)旋渦，提高風(fēng)機(jī)性能。

本文利用NUMECA軟件對(duì)原風(fēng)機(jī)及各優(yōu)化后的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以分析風(fēng)機(jī)蝸殼與葉輪徑向適配性，最終確定葉輪最優(yōu)中心位置。

1 風(fēng)機(jī)模型建立

以G4-73№8D離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用Solidworks軟件進(jìn)行幾何建模，再導(dǎo)入到IGG/ AutoGrid對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪以及蝸殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體步驟參見(jiàn)圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)網(wǎng)格生成流程圖

1.1 結(jié)構(gòu)模型與網(wǎng)格劃分

利用風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立風(fēng)機(jī)模型見(jiàn)圖2。

圖2 G4-73No.8D型離心式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（mm）

在數(shù)值模擬時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖3為風(fēng)機(jī)葉輪流道與整機(jī)網(wǎng)格示意圖。進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，考慮到計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，最后選取總網(wǎng)格數(shù)量為423萬(wàn)。

圖3 風(fēng)機(jī)葉輪流道及整機(jī)網(wǎng)格示意圖

1.2 邊界及初始條件

進(jìn)口邊界設(shè)置在集流器進(jìn)口，出口邊界設(shè)置在風(fēng)機(jī)出口；葉輪前盤、后盤、葉片、蝸殼壁面等實(shí)體壁面設(shè)置為固體壁面；流道的邊界面與下一個(gè)周期流道邊界面的對(duì)應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)按周期匹配連接；周期參數(shù)設(shè)為12。設(shè)定初始靜壓p= 1.013 25×105Pa，初始溫度T=293K，軸向進(jìn)氣速度υ＝18m/s，所有旋轉(zhuǎn)壁面（如：葉輪前盤、后盤、葉片等)轉(zhuǎn)速n＝1 450r/min，其它非旋轉(zhuǎn)壁面(如：蝸殼等)轉(zhuǎn)速為0。計(jì)算時(shí)采用多重網(wǎng)格法以加速收斂[12-13]。

2 葉輪中心位置優(yōu)化分析

2.1 定性分析

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)采用動(dòng)量矩守恒公式，忽略流體粘性，并認(rèn)為蝸殼通流部分是規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)。這些與實(shí)際情況相悖，因此，傳統(tǒng)葉輪中心位置并非為最優(yōu)，尤其是變工況運(yùn)行時(shí)。

移動(dòng)葉輪中心位置，使其向蝸舌處靠近。則蝸舌部分的通流區(qū)域減少，流體流動(dòng)速度增加，會(huì)抑制渦流的產(chǎn)生；而遠(yuǎn)離蝸舌部分的通流區(qū)域擴(kuò)壓作用增強(qiáng)，但是流動(dòng)損失亦可能增加。因而，葉輪中心可能存在最佳位置，使得改造后的風(fēng)機(jī)靜壓高、效率高、對(duì)變工況適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.2 定量計(jì)算

有鑒于定性分析，為了使優(yōu)化后風(fēng)機(jī)具有更高的出口靜壓和效率，葉輪中心位置應(yīng)向蝸舌間隙減小的方向移動(dòng)，見(jiàn)圖4。

圖4風(fēng)機(jī)改造前（左）與改造后（右）對(duì)比圖

圖5 為葉輪中心位置分布圖。圖中以原風(fēng)機(jī)葉輪中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，其余各實(shí)心點(diǎn)為改造后葉輪中心位置。

圖5 葉輪中心位置分布圖

由圖5可知，原始蝸舌間隙t為9.40，則t/R= 0.235。而蝸舌間隙推薦值為t=（0.1～0.2）R[14]，可見(jiàn)其蝸舌間隙過(guò)大，泄漏損失亦大。但蝸舌間隙過(guò)小，可能會(huì)導(dǎo)致葉輪外緣與蝸舌碰磨。當(dāng)葉輪中心在圖中坐標(biāo)為（2，2）的位置時(shí)，葉輪外緣與蝸舌間隙為2cm，葉輪中心位置偏離蝸殼中心最遠(yuǎn)位置為（2.25，2）。

分別計(jì)算，當(dāng)葉輪中心位于圖5所示的位置時(shí)風(fēng)機(jī)出口靜壓和效率，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。由圖6和圖7可知，當(dāng)葉輪中心在（1.5，1.5）時(shí)，其出口靜壓值最高，但是風(fēng)機(jī)效率相對(duì)較低。當(dāng)葉輪中心在（2，2）時(shí)，不但出口靜壓值相對(duì)高，而且效率也很高。此時(shí)蝸舌間隙與葉輪半徑的比值即t/R=0.186，風(fēng)機(jī)的葉輪中心位置最佳。

圖6 葉輪中心位置改變時(shí)風(fēng)機(jī)出口靜壓變化圖

圖7 葉輪中心位置改變時(shí)風(fēng)機(jī)效率變化圖

改變風(fēng)機(jī)負(fù)荷(100%±8%)，計(jì)算原風(fēng)機(jī)及優(yōu)化后風(fēng)機(jī)出口靜壓和效率，結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9所示。優(yōu)化后風(fēng)機(jī)出口靜壓平均值為1.316kPa，比原風(fēng)機(jī)提高了0.447kPa；效率平均值為86.22%，比原風(fēng)機(jī)提高了3.1%，且葉輪中心位置改變后風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)有向小流量方向移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖8 原風(fēng)機(jī)與優(yōu)化后風(fēng)機(jī)額定工況附近靜壓曲線圖

圖9 原風(fēng)機(jī)與優(yōu)化后風(fēng)機(jī)額定工況附近效率曲線圖

優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在40%～130%負(fù)荷時(shí)的效率和出口靜壓值見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 原風(fēng)機(jī)與優(yōu)化后風(fēng)機(jī)變工況效率曲線圖

由圖10可知，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在變工況范圍內(nèi)效率整體上升，并且最高效率工況點(diǎn)未發(fā)生變化。

圖11 原風(fēng)機(jī)與最佳葉輪中心位置風(fēng)機(jī)變工況附近靜壓曲線圖

由圖11可知，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在40%～110%負(fù)荷工況下，出口靜壓較原風(fēng)機(jī)提高；在110%～130%負(fù)荷工況下，出口靜壓略有降低。但在整個(gè)變工況范圍內(nèi)，出口靜壓波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。說(shuō)明優(yōu)化后風(fēng)機(jī)變工況能力增強(qiáng)。

3 結(jié)果分析

3.1 額定工況結(jié)果分析

為了研究?jī)?yōu)化后風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部氣體的流動(dòng)情況，選取A截面（沿風(fēng)機(jī)軸線，葉輪1/5處）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在蝸殼出口處產(chǎn)生了靜壓波動(dòng)，圖12所示靜壓波動(dòng)位置。

圖12 靜壓波動(dòng)位置示意圖

文獻(xiàn)[15]說(shuō)明了產(chǎn)生壓力波動(dòng)的原因：一是因從葉輪出來(lái)的高速氣流未受到蝸殼環(huán)壁的阻擋，所以，未能即刻減速擴(kuò)壓，而是經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的減速升壓過(guò)程，因此該處壓力相對(duì)降低；二是從蝸殼通道中沖出來(lái)的氣流，由于因前方阻力減小而加速，將壓力能再轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而降低了靜壓。計(jì)算在額定工況下，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)截面A處的速度幅值，結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13風(fēng)機(jī)A截面速度云圖

圖13 （a）蝸殼出口處速度較圖13（b）變化較大，說(shuō)明優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在蝸殼出口處加速過(guò)程相對(duì)平緩。因此，蝸殼出口處的壓力波動(dòng)相對(duì)較小。從蝸殼形狀角度上分析，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的蝸殼在出口處的曲率半徑相對(duì)較小，A截面接近蝸殼出口處，通流面積比原風(fēng)機(jī)的大。因此，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)蝸殼出口處流體受到的阻力較小，流體加速的位置相對(duì)于原風(fēng)機(jī)靠前。

綜上所述，蝸殼出口處蝸殼型線曲率半徑越小，加速過(guò)程越緩慢，蝸殼出口處壓力波動(dòng)也越小。

3.2 變工況結(jié)果分析

由圖10和圖11可知，優(yōu)化后變工況運(yùn)行時(shí)，靜壓變化相對(duì)原風(fēng)機(jī)較為平穩(wěn)。而且在40%負(fù)荷工況下，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)出口靜壓比原風(fēng)機(jī)高。分析40%負(fù)荷工況下兩種風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)，見(jiàn)圖14。

圖14 40%負(fù)荷工況下兩種風(fēng)機(jī)A截面速度等值線圖

對(duì)比左圖與右圖蝸殼內(nèi)部流場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)，左圖比右圖多一個(gè)大的渦旋區(qū)，此處存在較大的能量損失。溫度分布見(jiàn)圖15。

原風(fēng)機(jī)產(chǎn)生渦旋的原因在于，40%負(fù)荷工況下，蝸舌附近的蝸殼通流面積過(guò)大，蝸殼環(huán)壁對(duì)流體的約束作用較弱。而優(yōu)化后風(fēng)機(jī)蝸舌處通流面積較小，蝸殼環(huán)壁對(duì)流體的約束作用較強(qiáng)，見(jiàn)圖14和15。因此，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)蝸殼在蝸舌附近不會(huì)出現(xiàn)較大的渦旋。

綜上所述，葉輪中心位置經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，出口靜壓相對(duì)提高，而且變工況運(yùn)行時(shí)波動(dòng)小。另外，蝸舌處泄漏損失小，蝸殼出口處壓力波動(dòng)小，蝸舌附近大渦流少。因此，風(fēng)機(jī)效率整體提升，而且變工況能力強(qiáng)。

圖15 40%負(fù)荷工況兩種風(fēng)機(jī)A截面溫度云圖

4 結(jié)論

1）葉輪中心在（2，2）時(shí)，為該風(fēng)機(jī)最佳葉輪中心位置。

2）優(yōu)化后風(fēng)機(jī)效率和出口靜壓均得到提高且變工況能力增強(qiáng)。

3）優(yōu)化后風(fēng)機(jī)相對(duì)于原風(fēng)機(jī)，在小旋轉(zhuǎn)角處通流面積減小，而在大旋轉(zhuǎn)角處通流面積增加。從而減少了蝸舌處的泄漏損失，減弱了蝸殼出口處的靜壓波動(dòng)，削弱了低負(fù)荷工況下蝸殼內(nèi)部渦旋效應(yīng)，增強(qiáng)了葉輪與蝸殼徑向適配性。

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Optimal Research on Impeller Central Location of Centrifugal Fan Based on CFD

Lv Yukun,Zhang Bo/School of Energy and Power Engineering,North China Electric PowerUniversity
Cheng Bo/China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.

Taking the G4-73№8D centrifugal fan as research object and utilizing the software of NUMECA to simulate flow fields of voluteswith different radial relative positions,the optimum central location of the fan impeller was obtained.The original fan and the fan with optimized impeller central location was contrasted and analyzed,which showed that the optimized fan enhanced impeller and volute casing radial adaptive in internal flow field under rated and variable condition.

centrifugal fan;radial relative position;optimization;radial adaptive; numericalsimulation

TH432；TK05

A

1006-8155（2015）04-0038-06

10.16492/j.fjjs.2015.04.058

*張波/深能保定發(fā)電有限公司

2014-03-27河北保定071003