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蜗壳开度对离心风机气动性能影响的研究

2013-01-11 13:46:48 点击数:
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摘要:研究不同蜗壳开度对离心风机气动性能的影响。采用Pfleiderer机壳型线计算方法,通过改变x值来调节蜗壳的开度,然后数值模拟计算应用不同开度蜗壳的风机,通过对风机整体气动参数、机壳损失分布以及叶轮流场变化的分析来研究开度不同对风机气动性能的影响。数值模拟结果显示,设计机壳时所取蜗壳开度越大,风机流量越大,但其负面影响是全压和效率的下降。蜗壳开度的增加,改善了叶轮流道流动,使其出口更为均匀,掺混损失减小,但机壳表面积的增大带来更大的摩擦损失。机壳开度增加时叶轮内部流动情况的整体改善,是叶轮效率提高的主要原因,但摩擦损失的增加导致了整机效率的下降。
关键词:离心风机;蜗壳开度
中图分类号:TH432 文献标志码:B
Investigation of the Effect of Volute Openness on Aerodynamic Characteristics of a Centrifugal Fan
Abstract: The effect of different volute openness on aerodynamic characteristic of a centrifugal fan is investigated. The x in the methodology of Pfleiderer housing profile is changed to regulate the volute openness. By comparing the changes on aerodynamic performance, distribution of loss in housing and changes of the flow field, the impact of different openness on fan aerodynamic performance is studied. It can be seen from the numerical simulation results that while openness goes up, the flow of fan is increasing, with the total pressure and efficiency decreasing. The increase of volute openness improves the flow in impeller channel, makes outlet more uniform and mixing loss decrease. But it also increases the friction loss due to the increasing of casing surface. The use of big openness in volute is the main reason of the increase of impeller efficiency, but the increasing of friction loss leads to the decreasing of the fan’s efficiency.
Key words: centrifuge fan; volute openness
0 引言
  离心风机的核心主要由叶轮和机壳两个部分组成,其中机壳的工作原理主要是将叶轮流道出口的气体进一步减速增压并导向风机出口,以达到工程所需出口压力的要求。机壳的设计较为简单,包括机壳型线的计算、截面形式的选择、蜗舌结构的选取等,其中最为主要的是机壳型线的计算方法,此关系到叶栅流道出口到风机出口流管的流动状况[1] 。国外主要有两种经典的离心式叶轮机械机壳型线设计方法。Stepanoff[2]提出等速度设计方法,通过将速度保持在一常数而将损失降到最小。Pfleiderer[3]提出等环量设计方法,亦称为等角动量设计,其考虑了半径的影响,使低转速离心机的设计成为可能。Pfleiderer法能有效的减小机壳尺寸。国内常用的离心叶轮机壳型线设计方法有等环量法及平均速度法等[4] ,其大多为Pfleiderer法的一种特例。其他还有一些型线的作图方法广泛应用于工程实践中,包括等边基圆法、不等边基圆法等[5]
  本文采用Pfleiderer机壳型线计算方法,通过数值模拟[6-9]的方式,研究蜗壳开度对离心风机气动性能的影响。
1 计算方法
  如图1所示,Pfleiderer设计方法以中心右侧的水平线作为起始与终止截面,φ值全周360°。通过某指定φ处的截面的流量为Qφ 。
  Pfleiderer法中,取curx=const,当x=1时,角动量为常数,当极端取x=0时,叶轮出口各处速度相等。
                
式中各变量分别为:体积流量Q,m3/s;叶轮出口绝对速度切向分量cu4,m/s;叶轮出口半径r4,m;不同半径处的机壳厚度b(r),m。图1中,型线终止截面a-a在径向的长度即为蜗壳张开A,Pfleiderer法中,可以通过改变curx=const中的x值来调节蜗壳开度A[10-12]

2 网格划分及数值计算方法
  依据离心风机各部分实际几何特征和工作状态,兼顾网格划分所需,将某型离心风机整体划分为进风口流体域、进风口与叶轮之间类圆台流体域、叶轮流体域和机壳流体域四个部分[13]
  采用Numeca/AutoGrid模块生成叶轮流体域的结构化网格,叶轮总叶片数为16,网格数2 107 728,见表1。机壳流体域网格几何特征较为复杂,通过商业软件ANSYS/ICEM对其划分非结构化网格,近壁面加做棱柱层以加密近壁面处网格,第一层壁面网格厚度0.01mm,最低网格质量在0.2以上。进风口流体域和类圆台流体域的非结构化网格同样通过商业软件ANSYS/ICEM划分,保证壁面网格厚度为0.01mm,最低网格质量在0.5以上。图2所示为风机的基本结构,叶轮的计算网格和整机的计算网格,以及非结构化网格的棱柱层示意图。

  计算采用ANSYS/CFX商业软件的流场求解器,采用k-ε湍流模型,差分格式采用高精度混合差分。所有计算方案均采用设计工况的气动边界条件,进口总温473K,总压98 940.3Pa,出口静压101 673Pa,固壁为绝热、无滑移边界条件。设计工况参数为全压3 233Pa,进口流量30 000m3/h。

  采用Pfleiderer法计算式curx=const中x(0-1)的取值来控制蜗壳的开度,研究蜗壳开度A对风机气动性能的影响。
3 计算结果
3.1 型线

  根据Pfleiderer法的描述,计算出x=0,0.2,0.5,0.8和1时的机壳型线。各型线比较见图3。

  不同x值时的蜗壳开度不同。x取值发生变化时,机壳型线上各点半径随x值增大而增大,蜗壳开度增加,蜗壳几何尺寸增加。
3.2 整体气动参数
  对设计机壳进行数值模拟计算,结果见表2。由表中可知,Pfleiderer法设计机壳的全压随开度上升略有下降,流量随开度增加而有所增大,此处当x=1时,流量的变化趋势略有不同,将在后文中加以分析。叶轮部分的等熵滞止效率随机壳开度的增大而上升,机壳部分的总压损失系数随开度增大而增大,但增大幅度不大。风机全压效率和等熵滞止效率均随开度增大而呈现下降趋势,其中,机壳部分损失的增加应是风机整体效率降低的主要原因。
综上所述,应用Pfleiderer法设计机壳时,x在0到1的取值范围内,所取蜗壳开度越大,风机叶轮部分效率越高,机壳部分损失越大,风机流量增大而风机全压以及效率下降。
3.3 机壳部件的损失分布
  考虑流体质点流过机壳,应用流管的概念,沿机壳轴向位置划分多个流管,并取各流管进出口的质量平均参数,计算各流管的总压损失。总压损失系数:

  图4所对应的是机壳轴向相对距离上的总压损失系数分布,以进气方向为起点,为“0”。87%机壳轴向位置对应叶轮后盘,80%~90%对应的是靠近叶轮后盘区域,此处叶轮流道中分离尺度最小,出口较为均匀,机壳在此位置掺混损失 最小。47%机壳轴向位置对应叶轮前盘,0~47%机壳轴向位置段为机壳中进风口部分,机壳该部分损失最高,且损失随着蜗壳开度的增大而增加,究其原因,该部分损失的增加可能与机壳表面积增大而带来的更大的摩擦损失有关。47%~87%机壳轴向位置段为叶轮部分,该部分的损失随着蜗壳开度的增加而减小,究其原因,可能为蜗壳开度的增加改善叶轮流道流动,使出口更为均匀,掺混损失减小。蜗壳开度的增加导致机壳径向的尺寸增大,气流在机壳内更易折转,亦可能为该段损失降低的原因之一。
3.4 叶轮部件的流场分析
  前文已对不同开度机壳内部流动损失情况做简要分析。在此将通过对具体流场的展示,更为直观的分析不同开度机壳对风机流场结构的影响。风机叶轮全周的各叶栅流道流动状况并不相同,部分流道分离流动尺度较大[14] 。取叶轮中距后盘5%叶高的截面对不同开度机壳对叶轮内流场的影响进行分析。

  图5是叶轮中距后盘5%叶高处的与风机轴向相垂直的截面,用以分析不同开度机壳对叶轮和机壳内流场结构的影响。从图5中易得,5%叶高处,x=0机壳中分离尺度较大的①位置有7个叶片流道存在尺度较大的分离流动,x=1机壳仅3个叶片流道尾缘附近有少量分离存在。同时发现,x=0机壳②位置有2个叶片流道存在流动分离情况,但x=1机壳于5%叶高处分离流动扩展到4个叶片流道,且尺度明显增大。分析原因,可能为不同开度蜗壳型线设计过程中,螺旋线部分与出口延伸段部分型线衔接不当,导致②位置叶片流道出口截面积与机壳出口面积之间的面积变化率不当,进而影响叶片流道内流动情况。①位置流动情况的改善应为叶轮部分等熵滞止效率上升的主要原因,而②位置由于蜗舌设计而导致的分离流动加剧是x=1机壳的叶轮效率和风机整机流量随开度变化趋势不同其他的主要原因。
  机壳开度增加时叶轮内部流动情况的整体改善,是叶轮效率提高的主要原因。风机流动情况的改善促使风机出口掺混损失减小,进而减小机壳对应叶轮部分的损失。
4 结论
  采用Pfleiderer机壳型线设计方法,通过改变参数x值来控制蜗壳开度,研究了蜗壳开度对离心风机气动性能的影响,结论如下:
  1)应用Pfleiderer法设计机壳时,x在0到1的取值范围内,所取蜗壳开度越大,风机叶轮部分效率越高,但机壳部分损失亦同时增加。风机流量随开度增大的同时风机全压以及效率下降。
  2)蜗壳开度的增加改善叶轮流道流动,使出口更为均匀,机壳对应叶轮部分掺混损失减小,但机壳表面积的增大带来更大的摩擦损失。
  3)机壳开度增加时,叶轮内部流动情况的整体改善是叶轮部分等熵效率提高的主要原因。但机壳开度的增大导致的机壳摩擦损失的增加造成了风机整体效率的下降。

参 考 文 献

[1] 周邦宁. 离心式压缩机的最佳蜗壳设计[J]. 风机技术, 1997(10): 7-11.
[2] Stepanoff, A. J., 1957, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design and Application[M]. Wiley, New York.
[3] Pfleiderer, C., 1955, Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase, 4, Springer-Verlag[M]. Berlin.
[4] Brian de Souza, Andrew Niven, Richard McEvoy. A numerical investigation of the constant-velocity volute design approach as applied to the single blade impeller pump[J]. Journal of Fluids Engineering, 2010, 132(6): 061103-1-7.
[5] 叶增明, 朱婷婷. 离心通风机蜗壳型线绘制方法的改进[J]. 风机技术, 2008(5): 30-39.
[6] 叶舟, 王企鲲, 郑胜. 离心通风机蜗舌及出口流场的数值模拟分析[J]. 风机技术, 2008(5): 15-19.
[7] 徐长棱, 毛义军. 离心通风机整机三维流场的数值模拟[J]. 风机技术, 2005(5): 1-4.
[8] 陈修怀, 李嵩, 黄东涛,等.利用三维数值模拟改进离心通风机设计[J]. 风机技术, 2003(2): 6-8.
[9] 周莉, 张鑫. 离心压缩机蜗壳内部流动的研究[J]. 风机技术, 2010(5): 5-14.
[10] CFturbo. User mamual[M]. CFturbo Software & Engineering GmbH. 2010.
[11] 孔熠. 2006版新编风机选型设计实用手册[M]. 北京: 中国知识出版社, 2006.
[12] 刘家钰. 电站风机改造与可靠性分析[M]. 北京: 中国电力出版社, 2002.
[13] 段江南, 蔡兆麟. 离心通风机内部流场模拟中的几何建模[J]. 风机技术, 2001(6): 38-42.
[14] 程书山, 楚武利, 张浩光. 离心风机性能及蜗壳壁面静压分布测试[J]. 风机技术, 2010(5): 19-21.

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