梁一凡， 賽慶毅， 王 玄

(上海理工大學 能源與動力學院，上海 200082)

0 引 言

離心式風機是一種廣泛運用的能耗設備，特別是在水泥、鋼鐵、火電、石化等領域的大型離心風機，數量多、單機功率大，僅僅是提高1%的效率也可以獲得非?？捎^的經濟效益和社會效益[1]。葉輪是風機的核心部件，其性能將直接影響整機性能。對葉輪內部流動進行分析和研究，剖析其流動特性和損失機理，依此進行設計改良可以極大地降低風機能耗。目前對于離心葉輪，國內外已經取得了顯著的成果[2-10]；而對于高比轉速離心葉輪的研究，則多停留在工程領域上。龐海宇等[11]在3-108 離心風機樣機的基礎上進行了兩次優(yōu)化設計，總結出大流量條件下應盡量改善蝸殼與進風口的損失；李軒[12]通過試驗與數值計算相結合的方法對高比轉速離心風機葉型進行了研究，結果表明在大流量工況下，具有板型葉片的高比轉速離心風機性能優(yōu)于翼型葉片的高比轉速離心風機性能。

這些風機處于高比轉速工況運行的原因，一是風機設計入口溫度與現場實際溫度有一定差異；二是風機選型過程中對管網阻力考慮余量較大，導致配用風機壓力遠大于管網系統(tǒng)壓力，實際運行時偏向大流量工況。風機現場運行工況參數處于較高比轉速，按風機類型劃分宜選用混流風機，但混流風機結構上將電機內置，現場輸送的高溫氣體以及其中包含的粉塵會對電機運轉帶來一定的威脅和損害?；诎踩煽啃耘c經濟性考量，混流風機不適合在以上系統(tǒng)中較為惡劣的工況下使用，因此只能選用離心風機。

本文所提出的高比轉速離心風機研究，是基于比轉速為79的離心風機模型，針對風機運行于流量偏大、壓力偏低的高比轉速工況，在主體結構不變，只改變葉輪幾何結構:輪徑比、寬徑比、進出口安裝角、葉片數，通過均勻設計法耦合這些葉輪性能參數，得到更適合于高比轉速工況區(qū)間(90～120及以上)運行的葉輪模型，整機運行效率較常用風機模型更高。

1 數值模擬

1.1 基礎模型建立

研究所采用的比轉速為79的離心風機基本參數為葉輪進口寬度175 mm，出口寬度125 mm，葉片數16，轉速1 450 r·min-1，葉輪外徑為500 mm，進口安裝角為22.37°，出口安裝角為38.73°，理論流量系數為0.26，理論全壓系數為0.43。

采用ProE軟件進行三維建模，得到包含蝸殼、葉輪、集流器在內的整機模型，然后對實體域模型進行布爾運算，得到對應的流體域(圖1)。對于各模塊特別是葉輪區(qū)域采用統(tǒng)一的接口定義，新葉輪就可以共用其他模塊。

圖1 風機模型圖Fig. 1 Diagram of fan model

1.2 網格劃分

利用ICEM-CFD軟件劃分網格。采用四面體非結構化網格，近壁面網格進行加密處理。根據網格無關性驗證的結果并綜合考慮計算資源，最終選定網格總數為500萬左右，其中葉輪約為200萬網格，蝸殼以及延長段約200萬網格，集流器及進口延長段為100萬網格，如圖2所示。

圖2 風機整體網格圖Fig. 2 Diagram of fan model grid

1.3 控制方程選擇

利用FLUENT軟件對原型機以及均勻設計得到的新葉輪模型進行三維不可壓縮定常流動計算，采用RNG k-ε湍流模型求解N-S方程。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項為標準離散格式，能量項及湍流耗散、湍流動能項均為二階迎風格式，近壁面采用標準壁面函數。

1.4 邊界條件

定義葉輪區(qū)域為Moving Reference Frame動參考系模型[12]，葉輪繞Z軸旋轉，其他為靜區(qū)域。定義所有壓力面及吸力面為Moving Wall，運動方式為旋轉跟隨運動。入口為流量入口，出口設置為自由出口。當數值計算的殘差小于10-4，效率變化率小于0.01%時，認為計算收斂[13]。

1.5 數值模擬驗證

根據本文研究內容，主要對最佳工況區(qū)域及高比轉速工況點進行數值模擬計算，并繪出性能曲線如圖3所示。

圖3 理論-模擬性能曲線對比圖Fig. 3 Diagram of theoretical-analog performance curve

由圖3可以看出：模擬值與理論值趨勢相同，差距均小于5%，可以認為模型的數值模擬是可靠的。

2 均勻設計法

均勻設計法是在正交設計法的基礎上，舍棄了整齊可比的要求，通過提高試驗點“均勻分散”，使試驗點具有更好的代表性。在多因素多水平的情況下，用較少的試驗次數也能得到較好的結果[14]。

2.1 試驗因素與試驗方案

本文試驗因素為寬徑比A、出口安裝角B、輪徑比C以及葉片數D等4個因素，由于本次試驗包含5水平，因此將常用的均勻設計表中可使用5水平的設計表對應的均勻度偏差記錄在表1中。在水平數量符合條件的前提下，選取偏差值最小的試驗表作為本次均勻試驗方案。

表1 可使用5水平的均勻設計表Table 1 Five level uniform design table

表2 均勻設計法各試驗排列及結果Table 2 Uniform design method test arrangement and results

2.2 均勻設計法結果分析

由于均勻設計表不具備整齊可比性，對于試驗的結果沒有辦法使用方差分析，通常采用直觀分析法和回歸分析法。

直觀分析法:直接根據各試驗結果，以比轉速100左右靜壓效率為目標，挑選出效率較高的一組或幾組結果。從表2中，試驗1的靜壓效率較其他組合明顯偏高，效果非常明顯，因此取試驗1葉輪組合為優(yōu)化結果并對其分析是合理的。

回歸分析法:風機靜壓效率的大小在各個因素中不是單獨作用的，而是在互相影響、共同作用下影響試驗指標的。根據多元線性回歸分析模型:

利用最小二乘法獲得各系數與常數項通式，則有:

對其進行顯著性檢驗，得到方差分析表3。

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis table

由方差分析表可知，即輪徑比在15組試驗中對靜壓效率影響較為顯著。

3 結果與分析

根據均勻設計的結果及分析，選擇實驗為最終耦合結果。相較于原模型，耦合風機寬徑比放大至1.03倍，出口安裝角為42°，輪徑比較原型放大至1.06倍，葉片數為10。圖4為葉輪優(yōu)化前后的比轉速-靜壓效率曲線。耦合風機在高比轉速工況下靜壓效率得到了極為明顯的提高。特別是比轉速在90以上的工況下，較原風機靜壓效率平均提高了4%，達到了優(yōu)化的目的。

圖4 優(yōu)化前后比轉速-靜壓效率曲線Fig. 4 Diagram of specific speed & static-pressure efficiency before and after optimization

圖5中工況比轉速大致處于120左右，此時流量很大，風機內部流場極為混亂。從圖5(a)，圖5(b)兩圖中可知，耦合風機的旋渦強度明顯降低，流場分布趨于均勻，抑制了漩渦造成的能量損失；漩渦中心下移，50%葉高以上部分葉輪出口阻塞，造成一定的流動損失。由圖5(b)，原風機靠近底盤側存在一個較小的漩渦，雖然該漩渦造成的能量損失低于大漩渦，但其與大漩渦互相作用導致的能量損失是不可忽視的；耦合后的風機底盤處漩渦消失，大漩渦強度降低，能量損失大大減小。

(a) 耦合風機

(b) 原風機圖5 葉輪優(yōu)化前后子午面全壓-流線圖Fig. 5 Full-pressure & streamline of optimized and initial meridian surface of impeller

圖6為優(yōu)化前后，中等葉高處界面的動壓、總壓云圖。在圖6(d)的A位置有一個壓力相對較低的區(qū)域，并且延伸到接近蝸殼出口的位置，這是由于蝸殼沿流動方向的擴壓作用引起的二次流導致的[16]，導致了一定程度的流動損失。而耦合風機壓力梯度更合理，通流能力更好，流動損失少。耦合風機葉片數Z從16片減少到了10片，雖然葉片數減少減弱了葉輪做功能力，但是在高比轉速工況下，因為流量較大，會帶來極大的摩擦損失。適當地減少葉片數可以使風機在保證葉輪一定做功能力的基礎上減少摩擦損失，通流能力提升。試驗一中優(yōu)化時將出口安裝角增大了2°，同樣在一定程度上導致了內部流場更為混亂，但同時也使葉片間流道更為開闊，避免了大流量工況下流體在葉輪流道內阻塞，彌補了出口安裝角增大帶來的損失。

(a) 耦合風機動壓(優(yōu)化前)

(c) 耦合風機動壓(優(yōu)化后)

4 結 論

本文以某比轉速為79離心風機作為研究對象，采用FLUENT軟件進行數值模擬，結合均勻設計法對離心葉輪進行優(yōu)化，結果表明:

通過均勻設計法耦合葉輪結構參數，寬徑比取1.03倍基礎模型寬徑比，輪徑比取1.06倍基礎模型輪徑比，出口安裝角為42°，葉片數調整為10片。該設計法改善了離心葉輪在高比轉速工況區(qū)間由于流量增大所導致的流動損失、摩擦損失，以及漩渦互相疊加導致的能量損失；進一步提高了離心葉輪的通流能力，高比轉速區(qū)間靜壓效率平均提升了4%。

致謝:感謝賽老師在課題進行過程中的悉心教導。