連傳平，劉文鋼，喬衛(wèi)亮

（1. 中遠(yuǎn)海運(yùn)船員管理公司 大連分公司，遼寧大連 116001；2. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

作為一種通用機(jī)械，離心風(fēng)機(jī)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在提升風(fēng)機(jī)效率、降低噪音和風(fēng)機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了大量工作。席光等[1]利用近似模型方法對葉輪的機(jī)械氣動(dòng)性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用；李景銀等[2]利用該方法對離心葉輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；梁一凡等[3]利用均勻設(shè)計(jì)法對高比轉(zhuǎn)速離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了分析；簡曉書等[4-5]基于分離葉片對風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響機(jī)理，重點(diǎn)對后向風(fēng)機(jī)葉輪葉片的出口寬度進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算；POLANSKY等[6]則對前向葉片離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能建立了預(yù)測模型。另外，風(fēng)機(jī)蝸殼對離心風(fēng)機(jī)性能的影響也是學(xué)者關(guān)注的問題，姜衛(wèi)生等[7]利用響應(yīng)面法提出了離心風(fēng)機(jī)蝸殼性能優(yōu)化方案，王志鵬等[8]則通過建模仿真分析了蝸舌對離心風(fēng)機(jī)流場特性的影響機(jī)理；程書山等[9]對蝸殼壁面靜壓分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，得到了靜壓分布規(guī)律。李曉麗等[10]對離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，指出蝸殼結(jié)構(gòu)的非對稱性會(huì)導(dǎo)致葉輪出口流動(dòng)不均勻。綜上所述，目前針對離心風(fēng)機(jī)的研究大多針對單級(jí)離心風(fēng)機(jī)，對多級(jí)風(fēng)機(jī)的研究成果相對較少，石碩等[11]基于經(jīng)驗(yàn)公式，提出了紡織領(lǐng)域中多級(jí)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，楊柳[12]針對懸臂式多級(jí)離心風(fēng)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用問題提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，目前針對雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)的三維數(shù)值分析問題，尚未形成系統(tǒng)的建模方法和成熟的分析方案。

1 風(fēng)機(jī)建模

1.1 建模參數(shù)計(jì)算

本文擬設(shè)計(jì)的雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1 320 r/min，空氣流量設(shè)定為150 m3/h，風(fēng)機(jī)的前后壓差為P=750 Pa，由此可以確定離心風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)：

根據(jù)沈陽鼓風(fēng)機(jī)研究所試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料，離心風(fēng)機(jī)葉片的進(jìn)出口安裝角分為α=27.1°和β=90°，由于機(jī)翼型葉片壓力系數(shù)與出口安裝角成線性關(guān)系，壓力系數(shù)取值為P=0.65，由此，可以計(jì)算得到葉輪圓周速度u2和葉輪外徑分別為

將式（2）、式（3）和式（5）依次代入式（4），可得葉片進(jìn)口直徑為0.11 m。一般情況下考慮分離影響，葉輪進(jìn)口直徑與略小于葉片進(jìn)口直徑，D1＝(1.00～1.05)D0，因此取葉輪進(jìn)口直徑為0.104 m。由此，可以計(jì)算葉輪的葉片數(shù)：

1.2 幾何模型

雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)中需要幾何建模的結(jié)構(gòu)主要包括：一級(jí)葉輪、擴(kuò)壓器、彎管、回流器、二級(jí)葉輪和蝸殼。本論文在CFturbo軟件平臺(tái)下進(jìn)行幾何建模，各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的幾何參數(shù)見表1。

表1 雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)部件的幾何參數(shù)

續(xù)表1：

根據(jù)確定的雙級(jí)風(fēng)機(jī)各結(jié)構(gòu)部件的幾何參數(shù)，在CFturbo軟件平臺(tái)下，建立的幾何模型見圖1。

圖1 雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)的幾何模型

2 網(wǎng)格劃分與仿真環(huán)境

2.1 生成網(wǎng)格

將CFturbo生成的文件導(dǎo)入ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，第一級(jí)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)約為119萬，數(shù)量相對較多；第二級(jí)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)約為90萬，生成的網(wǎng)格見圖2。

圖2 雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分

圖2 雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分（續(xù)）

2.2 仿真環(huán)境

雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的氣體設(shè)為20 ℃下的空氣，進(jìn)口壓力為大氣壓，即0.1 MPa，空氣密度為1.2 kg/m3，葉輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，空氣動(dòng)力效率設(shè)為100%，不考慮空氣泄漏的影響[13]。風(fēng)機(jī)內(nèi)的湍流模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的空氣流速為7.44 m/s，風(fēng)機(jī)內(nèi)部壁面為光滑壁面，在風(fēng)機(jī)出口處定義靜壓和其他變量。在求解器設(shè)置方面，選擇SIMPLE格式和2階迎風(fēng)的離散格式，精度為2階精度。考慮到本文第一級(jí)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)量較多，計(jì)算時(shí)間長而且不是很穩(wěn)定，適當(dāng)減小了松弛因子的設(shè)定值。

2.3 網(wǎng)格收斂性判斷

仿真環(huán)境設(shè)定之后，通過運(yùn)行求解器對計(jì)算守恒變量的殘差進(jìn)行計(jì)算，以便判斷網(wǎng)格收斂性。本文設(shè)定殘差低于初始?xì)埐?.001以下為滿足計(jì)算精度要求。第一級(jí)和第二級(jí)風(fēng)機(jī)的殘差曲線見圖3。第一級(jí)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格大約在接近2 000步時(shí)計(jì)算完成，第二級(jí)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格大約在1 600步時(shí)計(jì)算完成，表明本文劃分的風(fēng)機(jī)網(wǎng)格符合預(yù)期計(jì)算要求。

圖3 雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)的殘差曲線

3 仿真結(jié)果分析

3.1 葉輪內(nèi)部流場分析

3.1.1 壓力分布

依托于ANSYS仿真平臺(tái)，得到第一級(jí)和第二級(jí)葉輪的壓力分布情況見圖4和圖5。其中，靜壓是單位體積的氣體所具有的勢能，全壓是動(dòng)壓和靜壓的代數(shù)和，代表著氣體內(nèi)含有的總能量，全壓和靜壓的差值表征動(dòng)壓的大小。通過對比圖4和圖5中靜壓和全壓云圖可以發(fā)現(xiàn)：葉輪出口處二者差異較大，表明出口處的動(dòng)壓較大。另外，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，壓力從進(jìn)口到出口逐漸變大，在每塊葉片上的靜壓值和全壓值沿著工作面和非工作面逐漸增大，到出口達(dá)到最大值，并且葉片工作面的壓力值要比非工作面的靜壓值大，流道中間的壓力值要低于兩側(cè)的壓力。葉輪流道內(nèi)壓力最小值在葉片進(jìn)口非工作面上，流道內(nèi)壓力最大值在葉片的出口的壓力面上，與文獻(xiàn)[14]的分析計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖4 第一級(jí)葉輪壓力云圖

圖5 第二級(jí)葉輪壓力云圖

3.1.2 速度分布

第一級(jí)風(fēng)機(jī)和第二級(jí)風(fēng)機(jī)的速度云圖分別如圖6(a)圖6(b)所示，對于兩級(jí)葉輪，在吸力側(cè)面，由于氣流先收斂后擴(kuò)壓，氣流速度在葉輪進(jìn)口到出口的過程中不斷地增大，一直到出口時(shí)速度最大。而且在葉輪流道中，離葉片越近流動(dòng)速度越低，但是在葉片的工作面流速比在非工作面的流速較高，在其他位置的流動(dòng)速度相比于葉片位置速度較高。在蝸殼內(nèi)，由于體積突然增大，流動(dòng)速度降低，壓力升高。

圖6 葉輪內(nèi)速度云圖

3.2 擴(kuò)壓器內(nèi)流場特性

擴(kuò)壓器內(nèi)的靜壓和全壓分布情況分別如圖7(a)和圖7(b)所示。擴(kuò)壓器內(nèi)部有葉片的部分沿著葉片方向壓力逐漸增大，到達(dá)出口部分即無葉片部分壓力達(dá)到最大值。因?yàn)樵谌~片部分容積慢慢沿著葉片增大，所以擴(kuò)壓過程主要在該部分完成。在設(shè)計(jì)中擴(kuò)壓器存在一些缺陷，在于葉輪的匹配不夠特別合理，擴(kuò)壓器與葉輪之間的間隙很小，導(dǎo)致流場中的壓力和速度會(huì)在部分中過高或過低。葉輪出口與擴(kuò)壓器葉片的前緣之間的間隙決定著離開葉輪氣流中射流和尾跡的互相摻雜過程還有氣體泄露的問題。擴(kuò)壓器葉片前緣與葉輪出口之間的距離增大，從葉輪出來的氣流速度在擴(kuò)壓器沒有葉片部分下降的特別緩慢，間隙的增大造成延長氣體進(jìn)入葉道的時(shí)間，同時(shí)增大的間隙增加了氣體的摩擦損失，氣體在進(jìn)入葉道后能量減少，同樣的擴(kuò)壓器對于葉輪做功少的氣體是不適用的，因此出現(xiàn)了速度分離現(xiàn)象，而且減速緩慢，增壓效果不好。

圖7 擴(kuò)壓器內(nèi)流場特性

3.3 回流器內(nèi)流場特性

回流器內(nèi)流場的靜壓和全壓分布情況分別見圖8。當(dāng)氣體從彎管中出來后進(jìn)入回流器中壓強(qiáng)下降，這是由于氣體從體積較大的部位進(jìn)入狹長的流道中氣體的壓強(qiáng)能轉(zhuǎn)換為速度能，速度變快，壓強(qiáng)減小。由于回流器設(shè)計(jì)為翼型，葉片之間的容積沿葉片不會(huì)變換太多，壓強(qiáng)也不會(huì)有很大變化，使擴(kuò)壓器出來的氣體壓強(qiáng)下降不會(huì)太多。

圖8 回流器內(nèi)的壓力分布

回流器內(nèi)流場的速度分布情況見圖9，回流器進(jìn)口氣體流速非常沒有規(guī)律，原因主要在于雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)中，第一級(jí)葉輪、徑向擴(kuò)壓器的負(fù)荷較高，導(dǎo)致徑向擴(kuò)壓器出口的流動(dòng)并不均勻；與此同時(shí)，經(jīng)過擴(kuò)壓器的氣流需要經(jīng)過彎管進(jìn)行180°左右的轉(zhuǎn)彎才會(huì)到達(dá)回流器的進(jìn)口，在彎道中與2個(gè)端壁存在摩擦現(xiàn)象導(dǎo)致能量損失。葉片對回流器的流動(dòng)同樣存在影響，隨著葉片數(shù)的增加，回流器的出口氣流角的分布會(huì)趨于均勻。這現(xiàn)象說明：葉片數(shù)的增加會(huì)對回流器內(nèi)部的二次流起到一定的作用，但是，經(jīng)過試驗(yàn)可以得知，無限制的增加葉片數(shù)量并不能改變回流器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，回流器內(nèi)部的二次流依然還很強(qiáng)烈，所以，依靠增加葉片數(shù)來抑制回流器內(nèi)部的二次流現(xiàn)象的作用相對有限。

圖9 回流器速度云圖

3.4 蝸殼內(nèi)流場特性

第二級(jí)風(fēng)機(jī)靜壓云圖如圖5(a)最外一周便是蝸殼的靜壓分布, 內(nèi)經(jīng)過定子出來的氣流流動(dòng)方向基本沿著蝸殼彎壁流動(dòng)著，兩者之間沒有大的沖擊，這表明蝸殼的設(shè)計(jì)比較合理，由于蝸殼內(nèi)存在流動(dòng)損失，總壓沿著流動(dòng)方向會(huì)減小。同時(shí)，可以看出在蝸舌附近的速度云圖6(b)中經(jīng)過蝸舌遲滯點(diǎn)分離的兩部分流動(dòng)中，向上流入蝸室的一部分速度較高，像出口流出的速度較低，與文獻(xiàn)[15]的計(jì)算結(jié)果基本一致；在出口段靠近蝸舌所在壁的氣流速度明顯要比另一側(cè)的流動(dòng)速度低。

3.5 全壓驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，第一級(jí)和第二級(jí)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口的全壓數(shù)值見表2。

表2 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口全壓數(shù)值

仿真計(jì)算后對兩級(jí)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口全壓進(jìn)行檢測計(jì)算看是否能夠到達(dá)預(yù)期的要求。風(fēng)機(jī)的全壓公式為出口全壓減去進(jìn)口全壓，由表2中的兩級(jí)進(jìn)出口全壓數(shù)值計(jì)算得出，第一級(jí)風(fēng)機(jī)全壓值為321 Pa，第二級(jí)風(fēng)機(jī)全壓值為354 Pa。兩級(jí)風(fēng)機(jī)全壓差相加和為675 Pa，原定風(fēng)機(jī)要求壓差為650 Pa，誤差約為3%，可以在接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以轉(zhuǎn)速1 320 r/min，流量150 m3/h，壓差650 Pa的雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在對相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，分別對雙級(jí)離心風(fēng)機(jī)的葉輪、擴(kuò)壓器、回流器、彎道和蝸殼進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)和建模。將幾何模型導(dǎo)入Fluent仿真平臺(tái)，以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和流量為輸入條件，計(jì)算得到風(fēng)機(jī)先后壓差為675 Pa，誤差率為3%，符合設(shè)計(jì)要求。