張 波，呂玉坤

1 前言

離心風機是火電廠的重要輔機，是僅次于泵的耗電大戶［1］，其耗電量約占發(fā)電機組發(fā)電量的1.5%～3%，占廠用電的25%～30%［2］。因此，研究和改造風機，提高其性能，對火電廠的節(jié)能增效具有重要意義。

國內外對離心風機的研究多集中于葉輪和蝸殼結構，而對蝸殼型線的優(yōu)化、葉輪與蝸殼之間軸向相對位置及徑向相對位置的研究不多。黃東濤、張建、王建等對葉片通流部分進行了改造［3～5］。Dawes、Nursen、楊靜等研究了蝸殼內部的三維旋轉流動［6～8］。區(qū)穎達、呂玉坤等研究得出了合適的蝸舌間隙，可較好地降低泄漏損失和噪聲［9，10］。宋寶軍、程博利用數值模擬手段，分別對蝸殼寬度和蝸殼型線優(yōu)化，提高了風機效率和全壓［11,12］。鄭金等提出多種節(jié)能改造方案，增壓風機節(jié)電效果顯著［13］。因此，耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素，探尋最優(yōu)耦合方案，就有可能提高風機性能。

本文以G4-73№8D型離心風機為研究對象，在蝸殼型線優(yōu)化的基礎上，采用正交試驗設計方法耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素［14］，利用Fluent數值模擬軟件，對耦合風機的內部三維流場進行數值模擬，研究其蝸殼內部流動特性，以提高風機性能。

2 正交試驗

正交試驗設計是利用正交性原理編制并已標準化的正交表，科學安排試驗方案，得到的試驗結果再用數理統(tǒng)計方法進行處理，使之得出科學結論。

2.1 試驗目的

探索基于蝸殼型線優(yōu)化，耦合蝸殼寬度A、蝸舌間隙B、葉輪軸向相對位置C（葉輪后盤與蝸殼后端的間距）三因素后，離心風機全壓與效率都提升的方案。

2.2 試驗因素與試驗方案

本文試驗因素為蝸殼寬度A、蝸舌間隙B、葉輪軸向相對位置C，通過文獻可知因素水平。選擇因素水平如表1所示。選用正L9（34）交表，確定試驗方案如表2所示。正交表安排試驗，理論試驗方案 9 組：A1B1C3、A2B1C1、A3B1C2、A1B2C2、A2B2C3、A3B2C1、A1B3C1、A2B3C2、A3B3C3；由于計算周期及模型建立耗時較長，本文實際選取G4-73原風機、A1B3C1（型線優(yōu)化風機）、A3B3C3（耦合風機）3組試驗方案。

表1 因素水平

表2 試驗方案

3 幾何結構的對比和數值方法

3.1 原風機和蝸殼型線優(yōu)化風機幾何結構對比

蝸殼型線優(yōu)化風機減小了小旋轉角處的蝸殼型線半徑，增加了大旋轉角處的蝸殼型線半徑，其與原風機幾何結構對比，如圖1所示。

圖1 原風機與蝸殼型線優(yōu)化風機幾何結構

3.2 原風機和蝸殼寬度優(yōu)化風機幾何結構對比

根據文獻［11］計算得到，當G4-73№8D型離心風機葉輪前盤與蝸殼前端面間的距離減小20mm，葉輪后盤與蝸殼后端面間的距離增加40mm時，與原風機相比，風機效率和全壓得到較大幅度提高，其與原風機幾何結構對比，如圖2所示。

圖2 原風機與蝸殼寬度優(yōu)化風機幾何結構

3.3 數值方法

3.3.1 網格劃分

本文將風機模型分為集流器、葉輪、蝸殼及進口延長段4個流動區(qū)域，對風機葉輪和風機蝸殼采用非結構網格，而集流器和進口延長段采用結構網格。經網格無關性驗證，風機的網格總數約為220萬個，如圖3所示。

圖3 風機網格示意

3.3.2 邊界條件設置

（1）進口邊界條件：以進口延長段進口作為速度進口，進氣方向為軸向，速度大小是18 m/s，溫度是293 K。

（2）出口邊界條件：蝸殼出口設置為壓力出口，出口靜壓為1.675kPa。

（3）壁面邊界條件：風機模型包含旋轉的動邊界和靜止的靜邊界，將整個計算域劃分成定子和轉子2個子區(qū)域［15～20］。旋轉葉輪和靜止蝸殼之間的耦合采用多參考坐標系模型（簡稱MRF）。先設置轉子和靜子的交界面，然后設置對應實體的轉速，旋轉壁轉速為1450 r/min非旋轉壁面為0。

4 計算結果分析

4.1 蝸殼型線優(yōu)化風機與原風機結果分析

以風機的全壓和效率作為衡量改造方案優(yōu)劣的指標。當風機處于額定轉速（1450 r/min），分別對蝸殼型線優(yōu)化和原風機在負荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%5個工況下進行數值計算，并對改造風機的全壓和效率與原風機的全壓和效率進行比較，如圖4，5所示。

圖4 型線優(yōu)化風機與原風機的全壓對比

圖5 型線優(yōu)化風機與原風機的效率對比

表3為型線優(yōu)化風機相對于原風機在風機負荷為65%～110%內的全壓和效率的平均增長值。

表3 全壓和效率的平均增長值

從圖4、5和表3可以看出：在負荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況下，型線優(yōu)化后風機的全壓和效率較原風機都提高了；從總體上，型線優(yōu)化風機與原風機比較，全壓平均提高57.3 Pa，相對提高了3.64%，效率平均提高了2.81%。

4.2 耦合風機與原風機結果分析

當風機處于額定轉速（1450 r/min），分別對原風機和耦合風機在風機負荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況下進行數值計算，并對耦合風機的效率和全壓與原風機的效率與全壓進行比較，結果如圖6，7所示。表4為耦合風機相對于原風機在風機負荷為65%～110%內的效率和全壓的平均增長值。從圖6，7和表4可以看出：在負荷為65%、75%、82%、86%、100%、105%和110%的7個工況中，65%負荷的工況下，耦合風機較原風機，全壓和效率略微下降，其它負荷下耦合風機的全壓和效率都提高了；從總體上，耦合風機與原風機比較，全壓平均提高32.5 Pa，相對提高了2.07%，效率平均提高了1.36%。

圖6 耦合風機和原風機的全壓對比

圖7 耦合風機與原風機的效率對比

表4 全壓和效率的平均增長值

4.3 耦合風機內流場分析

圖8為原風機、型線優(yōu)化風機和耦合風機的全壓對比云圖。

圖8 3種風機全壓云圖

從圖上可以看出，型線優(yōu)化風機和耦合風機蝸殼區(qū)域內全壓得到很大提高，主要是由于型線優(yōu)化風機和耦合風機都減小了蝸舌間隙，增加了蝸殼的擴壓區(qū)域，從而提高了風機全壓

圖9所示為原風機、型線優(yōu)化風機和耦合風機的靜壓對比云圖，從圖上可以看出，在葉輪內，靜壓沿半徑方向是逐漸增大的；在蝸殼通道中，靜壓隨蝸殼半徑的增大亦增大，這表明速度在迅速減小，動能轉化為壓力能。在原風機的L處，存在壓力較低的區(qū)域，其形成是因為從葉輪出來的高速氣流沒有蝸殼環(huán)壁阻擋，不能馬上減速擴壓，而是通過一個緩慢過程減速升壓，從而該處壓力相對較低；另外，由于蝸殼出口通流截面積較小，導致速度增加，從而降低了靜壓。原設計蝸殼通流面積較窄小，而優(yōu)化后風機蝸殼通流面積變寬，氣流在蝸殼通道出口處加速不明顯，低壓區(qū)L也就縮小了。

圖9 3種風機靜壓云圖

圖10所示為原風機、型線優(yōu)化風機和耦合風機的速度對比云圖，從圖上可以看出原風機在蝸殼出口處流場較為混亂，低壓區(qū)域處的速度較高，此處部分壓能轉化為動能。比較型線優(yōu)化風機和耦合風機，風機出口速度場分布均勻。

圖10 3種風機速度云圖

4.4 性能曲線分析

由圖11可看出，當相對流量在27%～110%之間時，優(yōu)化風機的全壓整體高于原風機。在相對流量為27%～65%時，耦合風機全壓高于型線優(yōu)化風機；當相對流量大于65%時，型線優(yōu)化風機全壓高于耦合風機，較原風機提高3.61%，較耦合風機提高1.54%。

圖11 3種風機全壓曲線

由圖12可看出，當相對流量在27%～110%之間時，優(yōu)化風機的靜壓亦整體高于原風機。在相對流量為27%～65%時，耦合風機靜壓高于型線優(yōu)化風機；當相對流量大于65%時，耦合風機靜壓和型線優(yōu)化風機靜壓相差不大。

圖12 3種風機靜壓曲線

由圖13可以看出，對風機進行型線優(yōu)化和耦合優(yōu)化改造，在相對流量處于30%～110%之間時，兩種優(yōu)化蝸殼后的風機，效率較原風機整體提高。當相對流量為22%～40%時，耦合風機的效率高于型線優(yōu)化風機。

圖13 3種風機效率曲線

綜合圖11～13，在小流量工況下，耦合風機的全壓、靜壓、效率高于原風機和蝸殼型線優(yōu)化風機，因而，變工況能力更強；當相對流量處在40%～110%之間時，耦合風機與型線優(yōu)化風機較原風機，全壓、靜壓、效率都提高，型線優(yōu)化風機提高的更多，因而，此段負荷區(qū)間，蝸殼型線優(yōu)化風機變工況能力更強。

圖14為3種風機軸功率曲線。由圖14可以看出，隨著流量的增大，兩種風機的軸功率也隨之增大，且優(yōu)化風機功率均小于原風機；相對流量處在22%～30%時，耦合風機軸功率小于型線優(yōu)化風機；當相對流量處于30%～110%時，型線優(yōu)化風機軸功率小于耦合風機。從風機運行耗電量來考慮，小流量運行時，耦合風機較為節(jié)能；而在大流量運行時，型線優(yōu)化風機相對節(jié)能。

圖14 3種風機軸功率曲線

5 結論

（1）正交試驗設計方法耦合蝸殼寬度、蝸舌間隙及葉輪軸向相對位置三因素，為離心風機優(yōu)化研究提供借鑒意義。

（2）當風機負荷處于65%～110%之間，型線優(yōu)化后風機的全壓和效率較原風機都提高了，全壓平均提高57.3Pa，相對提高3.64%，效率平均提高2.81%；耦合風機在65%負荷的工況下，較原風機，全壓和效率略微下降，其它負荷下耦合風機的全壓和效率較原風機都提高了，全壓平均提高32.5Pa，相對提高2.07%，效率平均提高1.36%。

（3）在小流量工況下，耦合風機變工況能力更強，其它工況下，型線優(yōu)化風機變工況能力較強。從風機運行耗電量來考慮，小流量運行時，耦合風機較為節(jié)能；而在大流量運行時，型線優(yōu)化風機相對節(jié)能。

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