康 鑫

（華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司煤層氣開(kāi)發(fā)利用分公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

離心鼓風(fēng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于通風(fēng)、化工、電力、煤炭以及石油等行業(yè)，其主要功能是完成氣體輸送的機(jī)械部件。目前，離心鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要基于一元流和二元流的理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；但是，離心式鼓風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流程屬于三維的且非常復(fù)雜的狀態(tài)。也就是說(shuō)，當(dāng)前離心式鼓風(fēng)機(jī)普遍表現(xiàn)為產(chǎn)品效率低，導(dǎo)致電能被嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，基于數(shù)值仿真模擬手段并以離心鼓風(fēng)機(jī)為例，重點(diǎn)對(duì)其內(nèi)部關(guān)鍵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 離心鼓風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)

1.1 模型構(gòu)建

本文所研究離心鼓風(fēng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 離心鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于表1 中離心鼓風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Solid-Works 軟件構(gòu)建三維模型，尤其是凸顯其中的進(jìn)口、葉輪以及蝸殼三個(gè)關(guān)鍵部件。將SolidWorks 三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入CFD 數(shù)值模擬仿真模型中。根據(jù)后續(xù)數(shù)值模擬仿真需求，設(shè)定CFD 模型中關(guān)鍵部件的網(wǎng)格數(shù)量，將進(jìn)口部件的網(wǎng)格數(shù)量劃分為283 064 個(gè)，蝸殼的網(wǎng)格數(shù)量劃分為2 151 758 個(gè)，葉輪的網(wǎng)格數(shù)量劃分為228 646 個(gè)，所構(gòu)建的離心鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)網(wǎng)格劃分后的模型如圖1 所示。

圖1 離心鼓風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬模型

設(shè)定數(shù)值仿真模型的入口條件如下：壓力設(shè)定為101 325 Pa，溫度設(shè)定為292.15 K。出口壓力的邊界條件設(shè)定為20 kPa。為保證所構(gòu)建的模型與實(shí)際模型相接近，將所構(gòu)建模型中各個(gè)部件的內(nèi)部粗糙度設(shè)定為0.2 mm；并在數(shù)值模擬仿真計(jì)算時(shí)將全局殘壓按照10-6進(jìn)行收斂[1-2]。

1.2 離心式鼓風(fēng)機(jī)模型的驗(yàn)證

為了保證后續(xù)通過(guò)數(shù)值模擬分析后對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，本章對(duì)離心式鼓風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證思路：對(duì)離心式鼓風(fēng)機(jī)在不同工況下其出口壓力和多變效率隨著流量的變化率與離心鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

以離心式鼓風(fēng)機(jī)出口靜壓力仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比為例，離心式鼓風(fēng)機(jī)出口靜壓力仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 出口靜壓力仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖2 可知，在離心式鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，數(shù)值模擬仿真分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常吻合，相對(duì)誤差僅為0.78%。當(dāng)在離心式鼓風(fēng)機(jī)的小流量工況點(diǎn)時(shí)，數(shù)值模擬仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果大，導(dǎo)致此種現(xiàn)象的主要原因?yàn)楫?dāng)設(shè)備處于流量工況時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果難以收斂，而且在小流量工況下出口靜壓力的最大相對(duì)誤差為2.83%。

綜上所述，從出口靜壓力這一項(xiàng)參數(shù)分析可知，即便是在最小流量工況下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差小于3%。

同理得出，當(dāng)在離心鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，對(duì)于多變效率這一參數(shù)而言，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的差距較大，其相對(duì)誤差為1.74%。而對(duì)于離心鼓風(fēng)機(jī)的功率而言，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的軸功率在所有工況條件下均小于數(shù)值模擬結(jié)果。

因此，可以得出本文所構(gòu)建的離心鼓風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬模型可指導(dǎo)后續(xù)其內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即說(shuō)明所構(gòu)建的離心鼓風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬模型合理且可靠。

2 離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉片數(shù)、葉輪出口角等參數(shù)為離心鼓風(fēng)機(jī)的核心內(nèi)部參數(shù)。本章重點(diǎn)通過(guò)數(shù)值模擬分析對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)可知：隨著離心鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，其對(duì)應(yīng)的性能曲線越發(fā)陡峭，即其在穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)的范圍越小；而且，當(dāng)離心鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高時(shí)，設(shè)備對(duì)應(yīng)的性能曲線將朝著大流量的方向移動(dòng)[3-4]。

2.1 葉片數(shù)量的優(yōu)化

葉輪葉片數(shù)量對(duì)離心鼓風(fēng)機(jī)性能影響較大。從理論上講，當(dāng)葉片數(shù)量較大時(shí)，由于摩擦阻力增大導(dǎo)致其效率降低；將葉片數(shù)量減少時(shí)，對(duì)應(yīng)渦流損失增大，而對(duì)應(yīng)的摩擦損失減小。也就是說(shuō)，為了保證離心鼓風(fēng)機(jī)的效率最大，要求渦流損失與摩擦損失的總的損失量最小對(duì)應(yīng)的葉片數(shù)量為最佳。鑒于該離心鼓風(fēng)機(jī)原葉片數(shù)量為19，本節(jié)分別對(duì)葉片數(shù)量為18、20 和21 個(gè)四種情況下對(duì)應(yīng)的出口靜壓力、多變效率、全壓效率以及軸功率進(jìn)行對(duì)比。

以不同葉片數(shù)量對(duì)應(yīng)離心鼓風(fēng)機(jī)出口靜壓力為例，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同葉片數(shù)量在不同流量下的離心鼓風(fēng)機(jī)的出口靜壓力變化

由圖3 可知，當(dāng)葉片數(shù)量一定時(shí)，隨著流量的增加對(duì)應(yīng)出口靜壓力減?。辉谕涣髁肯?，隨著葉片數(shù)量的增加對(duì)應(yīng)出口靜壓力增加，不同的是，在大流量工況下出口靜壓力的增幅大于小流量工況。

但是，從全壓效率角度分析，雖然葉片數(shù)量為20和21 個(gè)時(shí)對(duì)應(yīng)的全壓效率均高于葉片為19 個(gè)情況；但是，當(dāng)葉片數(shù)量為21 個(gè)時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)備的全壓效率在全流量工況下均低于70%。因此，最終確定葉片數(shù)量為20 個(gè)[5]。

2.2 葉片出口角度的優(yōu)化

鑒于離心鼓風(fēng)機(jī)原葉片出口角度為50°，本節(jié)分別對(duì)葉片出口角度為48°、53°、55°、57°和58°六種情況下對(duì)應(yīng)的出口靜壓力、多變效率、全壓效率以及軸功率進(jìn)行對(duì)比。

以不同葉片數(shù)量對(duì)應(yīng)離心鼓風(fēng)機(jī)的多變效率為例，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同葉片數(shù)量在不同流量下的離心鼓風(fēng)機(jī)的多變效率變化

由圖4 可知，當(dāng)離心鼓風(fēng)機(jī)在大流量工況下運(yùn)行時(shí)（流量大于400 m3/min），當(dāng)葉片出口角度為53°、55°、57°和58°時(shí)，多變效率均高于葉片出口角度為50°的情況；當(dāng)離心鼓風(fēng)機(jī)在小流量工況下運(yùn)行時(shí)（流量小于400 m3/min），僅當(dāng)葉片出口角度為57°時(shí)，多變效率均高于葉片出口角度為50°的情況。綜上所述，可以確定離心鼓風(fēng)機(jī)葉片出口角度的最佳值為57°。

2.3 綜合優(yōu)化后效果對(duì)比

分別對(duì)離心鼓風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量?jī)?yōu)化為20 個(gè)和葉片出口角度優(yōu)化為57°后，離心鼓風(fēng)機(jī)在入口流量為400 m3/min 下的工況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 鼓風(fēng)機(jī)綜合優(yōu)化工況對(duì)比（400 m3/min）

由表2 可以看出，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)量和出口角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，鼓風(fēng)機(jī)在流量為400 m3/min 工作下對(duì)應(yīng)的靜壓力、軸功率、多變效率以及全壓效率等綜合指標(biāo)均高于原機(jī)型。

3 結(jié)論

離心鼓風(fēng)機(jī)為運(yùn)輸氣體的核心部件，在實(shí)際運(yùn)行中其主要存在的問(wèn)題為效率，主要原因?yàn)殡x心鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論與其復(fù)雜的三維內(nèi)部流場(chǎng)不相符。為此，本文通過(guò)數(shù)值模擬仿真手段對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體總結(jié)如下：

1）經(jīng)仿真分析，所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真模型與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，出口靜壓力的最大相對(duì)誤差為2.83%，多變效率相對(duì)誤差為1.74%；

2）經(jīng)仿真分析，葉片最佳數(shù)量為20 個(gè)，葉片出口角度為57°；優(yōu)化后多變效率較之前提高1.239%，全壓效率提高0.532%，出口靜壓力提高1 847.0 Pa。