潘益寧

杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310018

隨著國內(nèi)對能源需求的不斷增加，風(fēng)機(jī)在金屬礦山、煤炭工業(yè)、鋼鐵工業(yè)和電力行業(yè)的市場不斷擴(kuò)大，這也導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗不斷增長[1]。研究提高風(fēng)機(jī)性能的方法，減少風(fēng)機(jī)用電量對節(jié)約能源具有重要意義。近年來，席光等提出了近似模型方法在葉輪機(jī)械氣動優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[2]；李景銀等在近似模型方法的基礎(chǔ)上提出了控制離心葉輪流道的相對平均速度優(yōu)化設(shè)計方法[3]；kim,Jin-hyvk[4]進(jìn)行了分離葉片對風(fēng)機(jī)氣動性能更有益的分析；Polansky,Jirí[5]對前向葉片離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了氣動性能預(yù)測分析；簡曉書等[6]確定了一款小型后向離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口寬度尺寸。這些研究進(jìn)一步表明離心風(fēng)機(jī)各部件對整機(jī)性能有顯著影響，而不同的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場規(guī)律也不盡相同，當(dāng)前對于離心內(nèi)部流場的研究成果通用性不足。本文主要研究一種新型風(fēng)機(jī)VE100內(nèi)部流場的規(guī)律，采用風(fēng)機(jī)進(jìn)口試驗測試與數(shù)值分析結(jié)合的方法，進(jìn)一步闡述風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的特性，為同系列高效離心通風(fēng)機(jī)設(shè)計及制造提供指導(dǎo)。

1 原風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能分析

圖1 離心通風(fēng)機(jī)VE100示意圖Fig.1 Centrifugal fan VE100

本文采用某公司型號為VE100的離心通風(fēng)機(jī)（圖1）。該離心風(fēng)機(jī)主要由葉輪、蝸殼、電機(jī)以及集流器等幾部分組成。現(xiàn)有風(fēng)機(jī)在所需工況流量700 m3/h處，壓力為1780 Pa，效率較低，難以滿足流量且P-Q曲線在工況流量附近壓力值變動較大。因此，對風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行優(yōu)化，以提高工況流量附近的壓力值。現(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉輪的進(jìn)口尺寸140 mm，葉片的平均進(jìn)口直徑148 mm，葉輪出口直徑380 mm，厚度29 mm，葉片數(shù)目為8，葉片厚度2 mm。

風(fēng)機(jī)的測試結(jié)果如表1所示。原風(fēng)機(jī)壓力曲線穩(wěn)定工作區(qū)間較窄，在工況流量700 m3/h處，全壓為1780 Pa，效率較低，且工況點(diǎn)附近壓力值變化明顯，不利于風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作。因而，需根據(jù)工況點(diǎn)附近壓力曲線平穩(wěn)，工作效率較高的基本要求對已有風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計。

2 風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化

針對原風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)化過程，以不改變風(fēng)機(jī)原有加工模式為基礎(chǔ)，主要對風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行優(yōu)化?？紤]原有風(fēng)機(jī)的效率，主要對風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn)出口角度、葉輪葉片數(shù)以及葉片厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計以及風(fēng)機(jī)流體損失驗證過程，首先對葉輪厚度進(jìn)行校核。針對平盤式風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計，風(fēng)機(jī)葉輪厚度b1=b2，可以由公式（1）確定：

S1為葉輪進(jìn)口與風(fēng)機(jī)進(jìn)口氣流速度比，根據(jù)查閱資料[7]推薦確定速度比為1.1，經(jīng)過計算，葉輪厚度值與實(shí)際29 mm相符，因而不改變風(fēng)機(jī)葉輪厚度。進(jìn)一步針對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口角度進(jìn)行優(yōu)化，原有風(fēng)機(jī)葉輪葉片進(jìn)口角27°，出口角40°。在工況流量Q0為700 m3/h時，根據(jù)公式（2）求得氣流在風(fēng)機(jī)各通道的軸線平均速度。

查閱資料確定葉片進(jìn)口空氣充滿系數(shù)k為0.835[8]，由公式（2）估算葉片進(jìn)口流道軸線平均速度為17.27 m/s，周向速度u1為23.86 m/s，由公式（3）氣流角度β’1為35.89°，在設(shè)計葉片進(jìn)口幾何角時，需要考慮葉片本身厚度及角度對葉片流道的影響，即葉片進(jìn)口阻塞系數(shù)τ1，因而需要在預(yù)估氣流角度上加一個沖角i=0～8°，在此初定葉片進(jìn)口幾何角度β1為36°。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值，在此基礎(chǔ)上將葉輪出口數(shù)值定為35°，對于葉輪葉片數(shù)，可根據(jù)Eck公式求出為9片。氣流流入葉片中時，由于阻塞系數(shù)τ1，流道面積減小，速度變大，流道入口速度可由公式（5）求出c'1為18.34 m/s，將速度迭代至公式（3）中，可以再次得到葉片進(jìn)口處氣流角度為37.55°，得出結(jié)果和氣體入口幾何角度差值，即氣流沖角較小即可停止迭代，最終確定葉片進(jìn)口角度β1為38°。由此可以得出葉片的圓弧半徑Rk=308 mm，葉片的中心圓半徑R0=203 mm。

3 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析

首先根據(jù)原風(fēng)機(jī)以及優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)分別建立流場模型，通過FLUENT對風(fēng)機(jī)流場進(jìn)行數(shù)值計算以及風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析。在進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能分析過程中，可以由風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓值代替風(fēng)機(jī)全壓。優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)的全壓值分別為圖2和圖3所示的1780 Pa和2050 Pa。

圖2 原風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)進(jìn)口靜壓值Fig.2 Static pressures of original fan at operating point entrances

圖3 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)進(jìn)口靜壓值Fig.3 Static pressures of optimized fan at operating point entrances

3.1 速度對比

如圖4所示分別為優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度分布圖。首先從速度范圍進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)優(yōu)化前在最大速度69.5 m/s大于風(fēng)機(jī)優(yōu)化后的最大速度66.2 m/s，同樣流量下最大速度值的減小說明優(yōu)化后風(fēng)機(jī)氣流分布較為均勻。風(fēng)機(jī)葉輪作為風(fēng)機(jī)最為關(guān)鍵的部分，風(fēng)機(jī)葉輪的性能很大程度反映了風(fēng)機(jī)的整體性能。對優(yōu)化前后葉輪速度分布進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，氣流在葉輪輪蓋入口處產(chǎn)生渦流，在葉輪出口處，尤其是在蝸殼出口相反的一側(cè)，產(chǎn)生較為明顯的渦流現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)氣流的紊亂主要發(fā)生在氣流從集流器流道進(jìn)入葉輪流道的過程；優(yōu)化后葉輪在進(jìn)口處氣流低速區(qū)域減小，平均速度增大，最大速度減小，整體氣流流動情況較好。

圖4 風(fēng)機(jī)速度分布對比圖Fig.4 Comparison of speed distributions of fans

3.2 壓力對比

圖5 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)靜壓分布對比圖Fig.5 Comparison of static distributions of fans before and after optimization

如圖5所示，為優(yōu)化前后離心通風(fēng)機(jī)的靜壓分布。從圖中可以看到由于離心風(fēng)機(jī)是按照進(jìn)氣試驗過程中的離心風(fēng)機(jī)流場狀態(tài)進(jìn)行仿真，因而在風(fēng)機(jī)出口處氣流和大氣層相同，靜壓為0，而在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口處，風(fēng)機(jī)的靜壓為負(fù)值，該值表明風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后的整體全壓值分別為1780 Pa和2050 Pa左右。優(yōu)化后風(fēng)機(jī)氣流流場在蝸殼內(nèi)靜壓值較小，表明對于葉輪出口角度的改造較為有利。葉片數(shù)增多較為有效的減小葉輪內(nèi)二次流現(xiàn)象，使得整體靜壓性能提高。對于葉輪進(jìn)口角度的改造，有效的減少了氣流在葉輪入口角產(chǎn)生的沖擊損失，提高了工況流量處風(fēng)機(jī)的壓力值。

4 實(shí)驗數(shù)據(jù)對比

圖6 風(fēng)機(jī)進(jìn)口試驗圖Fig.6 Test at entrance of fan

圖7 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)P-Q曲線對比Fig.7 Comparison of P-Q curves of fan before and after optimization

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1236-2000，對優(yōu)化風(fēng)機(jī)進(jìn)行如圖6所示進(jìn)氣試驗測試，得出如表2所示的測試數(shù)據(jù)。將測試數(shù)據(jù)與FLUENT數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在工況流量處的結(jié)果相符。優(yōu)化后風(fēng)機(jī)效率最高點(diǎn)在工況流量700 m3/h處，且工況流量附近壓力值較為平緩，滿足設(shè)計要求。風(fēng)機(jī)整體性能較原風(fēng)機(jī)提高8%左右，在工況流量處壓力值提升15%左右。如圖7所示，為優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)P-Q曲線對比圖。

表2 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Testing data statistics of fan after optimization

5 結(jié) 語

本研究針對一種新型風(fēng)機(jī)VE100，提出以進(jìn)氣試驗與FLUENT仿真相結(jié)合的方法來探索其內(nèi)部流場的規(guī)律，結(jié)果表明：

（1）平盤式的風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計，致使葉輪流道內(nèi)截面積逐步增加，在葉輪流道出口處極易產(chǎn)生二次流，增大流體損失；此外葉輪出口角度改變對于氣流在蝸殼內(nèi)流動影響較大；

（2）通過對比優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的速度矢量圖和靜壓分布矢量圖，可以得出風(fēng)機(jī)進(jìn)口角度對于風(fēng)機(jī)工況流量影響顯著，主要原因為非工況流量產(chǎn)生較大的沖擊損失，進(jìn)而得到了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的一般規(guī)律。