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摘要:使用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)一5.6號(hào)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與葉輪徑向間隙(徑向間隙&dela;與葉輪直徑D2比值)分別為1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)時(shí)的整機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并且與葉輪和進(jìn)風(fēng)口沒有間隙的離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析間隙對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，總結(jié)得到該離心風(fēng)機(jī)全壓、內(nèi)功率和內(nèi)效率隨間隙變化情況 0引言 離心風(fēng)機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)部門使用非常廣泛的機(jī)械設(shè)備，在冶煉、石油和化工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其能否安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行直接關(guān)系著各個(gè)生產(chǎn)部門的經(jīng)濟(jì)效益。離心通風(fēng)機(jī)中的損失可分為流動(dòng)損失、泄漏損失、輪阻損失和機(jī)械損失等。為了保證高速旋轉(zhuǎn)的離心通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的可靠性，進(jìn)風(fēng)口和葉輪之間要有一定的間隙，由于存在這一間隙，氣體經(jīng)過葉輪前蓋與進(jìn)風(fēng)口之間的泄漏形成循環(huán)流動(dòng)，使葉輪對(duì)這部分流體的做功均被損失掉。這種損失被稱為內(nèi)泄漏損失。 一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，進(jìn)風(fēng)口與葉輪之間的徑向間隙越小，內(nèi)泄漏損失會(huì)越小，故在制造工藝和安全運(yùn)行的條件許可下，間隙應(yīng)盡可能小。但是由于制造工藝和加工成本的限制，間隙過小可能有較大的制造困難，所以要在兼顧多種因素的情況下，找到最佳的徑向間隙量。 本文以某一高效離心風(fēng)機(jī)（機(jī)號(hào)5.6號(hào)）為模擬對(duì)象，使用三維造型軟件對(duì)進(jìn)風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)時(shí)的離心2風(fēng)機(jī)整機(jī)建模，對(duì)建模后的整機(jī)劃分網(wǎng)格，再使用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)整機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到不同間隙對(duì)該機(jī)號(hào)風(fēng)機(jī)的全壓、內(nèi)功率和效率的影響，總結(jié)得到不同間隙對(duì)間隙內(nèi)泄漏損失的影響。同時(shí)得到該機(jī)型的最佳的徑向間隙。2不同徑向間隙離心風(fēng)機(jī)整機(jī)CFD數(shù)值模擬 2.1模型建立及網(wǎng)格劃分 使用三維造型軟件UG對(duì)進(jìn)風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為離心風(fēng)機(jī)整機(jī)建模，圖?表示的為間隙1??時(shí)的二維圖。建模時(shí)將整機(jī)分為?個(gè)區(qū)域，分別為進(jìn)風(fēng)口、葉輪、葉輪和進(jìn)風(fēng)口之間的間隙、以及機(jī)殼部分。 圖2表示三維數(shù)值計(jì)算模型和網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格使用分塊四面體網(wǎng)格，由建模的4部分組成。其中，間隙和葉輪部分設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格。近壁面以及間隙部分網(wǎng)格加密處理，離心通風(fēng)機(jī)整機(jī)網(wǎng)格總數(shù)為230萬。 2.2CFD數(shù)值計(jì)算方法 在CFD數(shù)值計(jì)算中,使用K-?湍流模型求解相對(duì)坐標(biāo)系下守恒形式的三維Navie-sokes方程?？臻g項(xiàng)采用有限體積中心離散方法[5]。采用四階Runge-kua法時(shí)間推進(jìn)以獲得定常解。為了加速收斂，采用多重網(wǎng)格法。 數(shù)值模擬的邊界條件為：進(jìn)口給定速度條件，根據(jù)不同流量給定不同的進(jìn)口速度；出口為自由出口條件；葉輪給定旋轉(zhuǎn)速度. 2.3內(nèi)部流場(chǎng)分析 圖3表示的是間隙為4mm時(shí)間隙中的速度分布，可以很明顯的看到，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時(shí)間隙對(duì)氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。通過間隙進(jìn)入葉輪的氣流再次和葉輪中的主氣流混合。這與一般 的理論分析是一致的，葉輪對(duì)氣體的做功的一部分消耗在了間隙內(nèi)的循環(huán)上。 圖4和5分別表示的是沒有間隙和3種不同間隙時(shí)蝸殼中截面的總壓分布。對(duì)比圖4和5可以得到，沒有間隙時(shí)的蝸殼中的總壓比有間隙時(shí)要明顯大，而且渦的分布也比有間隙時(shí)少。這就表明間隙會(huì)明顯減小風(fēng)機(jī)的做功能力。隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會(huì)明顯降低，也會(huì)出現(xiàn)明顯的渦流。這也表明間隙泄漏對(duì)蝸舌部位的氣流影響較大。 2.4不同間隙時(shí)的全壓和內(nèi)效率比較 圖6和7分別表示的是葉輪進(jìn)口沒有徑向間隙和徑向間隙與葉輪直徑比值(&dela;/D2)分別為數(shù)值模擬的流量和全壓曲線以及流量和內(nèi)效率曲 線。從兩張圖可以很明顯的看出，隨著間隙的增大，在全流量工況，全壓和內(nèi)效率都有明顯的下移。 從圖6可以看出，在小流量區(qū)域，隨著間隙的增大，雖然全壓有一定的降低，但是降低的不是很明顯，而且在全壓降低到一定程度以后，基本不再降低；然而在大流量區(qū)域，壓力降低的比較明顯。這就說明在小流量區(qū)域，間隙的大小對(duì)全壓的影響較小；在大流量區(qū)域， 間隙的大小對(duì)全壓有較大的影響。這和理論分析的結(jié)果是一致的。 從圖7可以看出，和沒有間隙時(shí)的理想情況比，徑向間隙會(huì)明顯的降低整機(jī)的內(nèi)效率，隨著&dela;/D2的增大，在小流量區(qū)域，內(nèi)效率變化不是很明顯；在大流量區(qū)域，內(nèi)效率下降的比較明顯。在大流量區(qū)域，&dela;/D2為0.18%時(shí)，內(nèi)效率和沒有間隙時(shí)的情況比較接近，并且&dela;/D2為0.36%和0.54%時(shí)內(nèi)效率比較接近，而當(dāng)&dela;/D2為0.71%時(shí)，效率又有比較明顯的下降。 對(duì)于該5.6號(hào)的風(fēng)機(jī)，一般情況下做到&dela;/D2為0.18%要求比較高，實(shí)現(xiàn)起來既耗費(fèi)時(shí)間又增加成本，但是同時(shí)又不希望效率降低過大，由于&dela;/D2由0.36%增加到0.54%時(shí)內(nèi)效率變化較小，所以該型風(fēng)機(jī)最佳的徑向間隙量&dela;/D2為0.54%，這與經(jīng)驗(yàn)公式要求的一般間隙約為0.5%D2的要求是相符合的。 3結(jié)論 1）使用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)一5.6號(hào)高效離心風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為時(shí)的整機(jī)進(jìn)行三維建模和數(shù)值模擬，并且與沒有間隙時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時(shí)間隙對(duì)氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。 2）不同間隙時(shí)蝸殼中截面的總壓分布表面，隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會(huì)明顯降低，也會(huì)出現(xiàn)明顯的渦流。間隙泄漏對(duì)蝸舌部位的氣流影響較大。 3）隨著間隙的增大，在全工況內(nèi)，全壓和內(nèi)效率都會(huì)減小。在綜合考慮制造成本和徑向間隙對(duì)內(nèi)效率的影響，得到該機(jī)型最佳的徑向間隙與葉輪直徑的比值&dela;/D2為0.54%。

   離心通風(fēng)機(jī)中，氣流經(jīng)葉輪做功后壓力增高速度增加，雖然經(jīng)過了擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓，速度進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)化為壓力能，但是通風(fēng)機(jī)中的擴(kuò)壓器基本都很簡(jiǎn)單，相對(duì)高速的氣體進(jìn)入蝸殼不但會(huì)出現(xiàn)尾流-射流現(xiàn)象，而且由于葉輪出口到蝸殼的突擴(kuò)會(huì)在葉輪出口處產(chǎn)生不同旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的旋渦，這些都極大的影響了風(fēng)機(jī)的效率。為了減少這種旋渦的出現(xiàn)，常常在蝸殼中安裝整流板，通過減小突擴(kuò)從而減少大強(qiáng)度的旋渦，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。 本文研究了三個(gè)帶不同長(zhǎng)度整流板的風(fēng)機(jī)，其中model1風(fēng)機(jī)整流板長(zhǎng)度是180mm，model2風(fēng)機(jī)的整流板長(zhǎng)度是100mm，model3風(fēng)機(jī)的整流板長(zhǎng)度是70mm。三種模型相同位置網(wǎng)格疏密情況基本一致，蝸舌部分和蝸殼葉輪ineface部分的網(wǎng)格尺寸相同；三種模型的蝸殼網(wǎng)格數(shù)分別是714687、718966和730124；葉輪和進(jìn)口集流器部分使用相同的模型，葉輪和進(jìn)口集流器之間的間隙為2mm。       圖10是整流板長(zhǎng)度不同的模型風(fēng)機(jī)整機(jī)模擬的性能曲線圖，可以看出三種模型的全壓和流量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)工況下model2的全壓分別比model1和model3的全壓高了2.5%和1.18%，在大流量時(shí)model2的全壓分別比model1和model3的全壓高了6.3%和0.85%，在小流量下相差則不是很大；效率的趨勢(shì)則基本與全壓趨勢(shì)保持一致，小流量下三種模型效率相差不大，在設(shè)計(jì)工況下model2的效率分別比model1和model3的效率高了1.19%和1.13%，大流量下model2的效率則分別比model1和model3的效率高了7.1% 和0.75%。 圖11是不同長(zhǎng)度整流板的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下跨盤蓋中心截面的靜壓分布，可以看出隨著半徑的增大，整流板不同的三個(gè)模型靜壓都增加了，且三種模型的靜壓分布狀況相似，不同的是model1出口壓力較低，氣流從葉輪進(jìn)入蝸殼后靜壓迅速上升，model2和model3 出口壓力基本相同，氣流從葉輪進(jìn)入蝸殼后壓力逐漸升高。圖12是不同長(zhǎng)度整流板的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下葉輪中心截面的相對(duì)速度分布，可以看出三個(gè)模型都在靠近蝸舌處的兩個(gè)葉道內(nèi)出現(xiàn)了渦旋，其中model2在上游的那個(gè)流道渦旋強(qiáng)度較大，下游流道渦旋強(qiáng)度很小，流 動(dòng)狀況最好，model1雖然在兩個(gè)流道內(nèi)都產(chǎn)生渦旋，渦旋強(qiáng)度較大，流動(dòng)狀況尚可，model3在兩個(gè)流道內(nèi)都產(chǎn)生了比較大的渦旋，基本占據(jù)整個(gè)流道，流動(dòng)狀況最差。這也說明風(fēng)機(jī)下游設(shè)備會(huì)對(duì)上游設(shè)備產(chǎn)生影響。   結(jié)論：比較了不同長(zhǎng)度的整流板對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，整流板過長(zhǎng)會(huì)使其距離葉輪前盤的間隙過小，氣流在從葉輪進(jìn)入蝸殼的時(shí)候流動(dòng)非常不均勻，產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失，影響了風(fēng)機(jī)的全壓和效率，整流板太短則會(huì)明顯減弱集流器與葉輪之間的氣體泄漏阻擋效果，也會(huì)影響 全壓和效率，合理長(zhǎng)度的整流板會(huì)破壞因?yàn)槿~輪、蝸殼突擴(kuò)產(chǎn)生的大尺度漩渦，同時(shí)對(duì)進(jìn)口集流器和葉輪之間的氣體泄漏也有一定的阻擋作用，減少了流動(dòng)損失和泄漏損失，提高了全壓和效率。