不同前盤結構形式多翼離心風機性能對比研究(1)

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葉輪是離心通石家莊市風機廠的做功部件，葉輪性能是影響石家莊市風機廠氣動性能最主要的因素，因而對其進行深入研究具有重要意義。本文通過回顧以往多翼離心石家莊市風機廠的研究，并對多翼離心石家莊市風機廠內流展開討論，提出對原型石家莊市風機廠的改進方案。主要目標是改善進口附近內流情況，以達到提高原型石家莊市風機廠的壓力（全壓和靜壓）的目的。提出以下４種方案：前蓋板封閉度分別為３０％、６０％、１００％，以及葉輪采用錐形前盤方案。數值結果顯示：改變前蓋板封閉度能夠影響石家莊市風機廠性能，在設計工況下，前蓋板封閉度為６０％時石家莊市風機廠靜壓和全壓都為最大；在蝸殼結構不變的情況下，采用錐形葉輪并不能達到提高壓力和效率的效果，在大流量下，采用錐形葉輪石家莊市風機廠的壓力和效率反而會降低。
回顧以往多翼離心石家莊市風機廠內流及性能改進的研究，主要集中在３個方面：（１）進口流場的均勻性影響因素分析及改進方法研究；（２）葉輪流道內流場均勻性研究，葉輪軸向做功負荷研究，葉輪外緣射流－尾跡影響因素研究；（３）蝸殼周向壁面附近及蝸舌處內流場研究，蝸殼出口擴壓段流場研究。本文討論的重點是通過改進進口流場來提高整機性能。之前研究者對于進口流場的研究主要集中在集流器形式及安裝位置對進口流場影響，軸向間隙的取值對整機性能的影響，增加防渦圈對石家莊市風機廠內流的改善。多翼離心石家莊市風機廠前盤結構形式對整機性能影響的文獻比較少。本文對原型多翼離心石家莊市風機廠進行整機三維流場數值計算和流場分析，在此基礎上提出４種前盤結構改進方案。通過對比４種方案的全流量性能曲線，找出了前蓋板封閉度及錐形前盤對整機性能影響的一般規律。
2研究對象葉輪外徑D２＝７０ｍｍ，葉輪內徑D１＝５３ｍｍ，葉輪進口安裝角β１A＝５３°，葉輪出口安裝角β２A＝１４３°，葉片高度b＝１５ｍｍ，葉片數z＝４５，葉片厚度σ＝０．８ｍｍ；本文原型石家莊市風機廠設計工況為：全壓P＝１７０Ｐａ（靜壓１２０Ｐａ），流量Q＝１７ｍ３／ｈ，轉速n＝４５００ｒ／ｍｉｎ。原型機葉輪用ＰＲＯ／Ｅ建模，葉輪及尺寸如圖１所示。原始石家莊市風機廠設計葉輪只有后盤，不帶前盤，只是依靠葉輪出風口側的端面外徑處的圈圍結構進行加固。上蝸殼用ＰＲＯ／Ｅ建模效果如圖２（ａ）所示，其頂端壁面厚度為２ｍｍ，進口處未進行倒圓角處理。下蝸殼建模效果如圖２（ｂ）所示，內部中間階梯型凸起的作用是裝配軸承并定位葉輪安裝高度（葉輪后蓋板外壁面到蝸殼內壁面的距離為１ｍｍ），保證轉動同心度；底面下凹部分和兩個圓柱凸起是裝配和定位電路板，保證電機正常運轉。蝸殼與設計葉輪的裝配如圖３所示。以原型石家莊市風機廠數值模擬為例，本文在計算原型石家莊市風機廠進口及出口時各加延長段，進口延長段為一倍的進口直徑，出口延長段為４倍的出口當量直徑。計算域包括原型石家莊市風機廠和兩段延長段。計算域分為旋轉流體區，非旋轉流體區兩種，兩者之間的耦合用移動參考坐標系ＭＲＦ模型。
圖４為數值模擬計算域示意。附加進口延長段及出口延長段的目的是使進入和流出石家莊市風機廠的氣流充分發展，從而保證邊界條件有更好的精度，達到精確模擬并反應石家莊市風機廠內流的目的。考慮到就進口吸氣氣體流動相對比較均勻，所以進口延長段的長度定為一倍的進口直徑；氣體出流對主流的影響比較大，充分發展需要更長的距離，所以出口延長段的長度為出口水力直徑的４倍。在劃分網格時本文也采取分段劃分，這樣有利于靈活處理網格疏密程度：在葉輪旋轉區，流動比較復雜，采取最大網格為２，網格相對密集；在進口加長段，流動平穩，采取最大網格為４，網格相對稀疏。這樣既可以保證計算精度和捕捉流動細節又減小了計算量。
３．３邊界條件和計算方法原型石家莊市風機廠主要的邊界條件有：進口邊界條件（給定速度，工況不同給定值則不同，體積流量分為26.2、23.1、21.5、19.0、17.0、15.5、13.8、10.9、6.8、2.1m3/h共10組），出口邊界條件（給定壓力值為一個大氣壓），動態固壁（給定轉速為4500ｒ／ｍｉｎ），動靜交接面（共５對）。計算方法采用壓力基隱式求解，湍流模型采用標準ｋ－ε模型，壁面附近流動處理選用標準壁面函數法，工作環境不考慮重力的影響，壓力－速度耦合選用ＳＩＭＰＬＥ方法，壓力修正方程采用standard方式，動量方程，湍動能方程，耗散率方程的空間離散格式均選用二階迎風格式。初始化采用全場給０初始化，殘差監控中continuity,x-velocity,y-velocity,k,epsilon的殘差收斂標準均設定為10。