改变蜗壳宽度对离心风机性能影响的数值模拟研究

改变蜗壳宽度对离心风机性能影响的数值模拟研究

宋宝军，李花

（陕西清水川能源股份有限公司，陕西 榆林 719400）

摘 要：以G4-73№8D型风机为研究对象，利用NUMECA软件对其改变蜗壳宽度方案进行了数值模拟，就各方案对蜗壳内部流场特性及风机性能的影响进行了对比分析，确定了改变宽度的优化参数。在最优方案下，额定流量下风机全压提高2.73%，效率提高2.55%。

关键词：离心风机；蜗壳宽度；NUMECA；数值模拟

中图分类号：TK284.8

0 引  言

据统计，在全国总用电量中，风机耗电约占9%左右[1]。在火电厂中，风机是仅次于泵的耗电大户，其耗电量约占发电机组发电量的1.5%～3%，占厂用电的25%～30%左右[2]。高负荷、大流量、高效率、低噪声、小型化以及更好的运行性能成为现代风机发展的总趋势。高性能、高效率风机成为现代流体机械气动热力学研究的热点之一[3]。

本文借鉴上述研究经验，以G4-73№8D型离心风机为具体研究对象，利用NUMECA软件对改变蜗壳宽度不同方案进行数值模拟，研究不同方案对风机性能的影响，以确定优化参数，提高风机运行性能。

1风机模型的建立和数值方法

1.1 结构模型

利用Solidworks软件建立风机物理模型，风机结构参数取自风机产品样本[7]，其外观结构如图1所示。

本次计算中，蜗壳宽度分别增加了B = -20，-10，10，20，30mm，B = 0表示蜗壳原宽度。B的变化参数见表1。

图1 G4-73№8D型离心式风机结构图

 表1 蜗壳宽度变化参数

1.2网格的划分

本文在数值模拟时采用的是结构化网格，针对计算中的具体实例，采用AutoGrid提供的H型网格自动生成功能，通过调整相应的控制参数来生成最终的叶轮网格。风机其它部分的网格生成需要首先划分区域，然后手动划分网格。图2为风机整机网格示意图。

图2风机整机网格示意图

1.3 边界及初始条件

计算过程的运动方程模型为湍流Navier-Stokes方程，采用Spalart-Allmaras湍流模型，选用中心差分格式进行空间离散。

边界条件设定：

1) 进口边界条件：给定速度方向，流速，静温；

2) 出口边界条件：给定出口静压；

3) 壁面边界条件：给定各网格块所包含的实体壁面的转速，其中所有旋转壁面(如：叶轮前盘、后盘、叶轮叶片等)输入转速，n＝1450rpm，其他非旋转壁面(如：蜗壳)，转速为零。

初始值设定的好坏，直接影响计算迭代的时间，甚至影响计算结果的收敛与否。本文采用全区均匀初场。

1) 初始静压：p＝1.01325×105Pa；

2) 初始温度：T＝293K；

3) 初始速度：V＝18m/s。

2 计算结果分析

表2给出了改变蜗壳宽度不同方案对风机全压和效率的影响结果。其中方案1在额定流量下全压和效率提高值均最大，全压提高2.73%，效率提高2.55%。

表2不同方案在额定流量下风机的全压和效率提高值    

方案1原方案

图3额定工况下风机截面A静压等值线

在风机设计中，静压性能是一个很重要的参考因素。由图3可以看出，方案1相比于原方案静压等值线相对平滑，风机运行时的压损相对较小。

由图4可以看出，随着蜗壳宽度的增大， 由叶轮射出的气流进入蜗壳扩散的速度也随之增大，蜗壳内气流的速度也随之减小。若宽度太大，蜗壳内气流速度过小，气流从叶轮出口流入蜗壳时的突然扩大损失太大；若宽度太小，扩散就不充分，蜗壳内气流速度过大，气体对外壁冲击引起很大损失，同时气流对蜗壳壁的摩擦损失也较大。

（1）方案1

（2）原方案

图4额定工况下风机截面B速度云图

（1）方案1（2）原方案

图5额定工况下风机截面B速度矢量图

从图5可以看出当风机正常运行时，蜗壳内部存在着强烈的旋涡。气体流出叶轮后，沿着蜗壳容积增大的方向做旋转流动，速度箭头指向蜗壳前端面和远离叶轮的方向；随着流体继续流动，流体到达距离叶轮最远处且靠近风机蜗壳前端面；气体继续流动，新流出叶轮的气体会按照上述规律占据原流体空间，原流体会向蜗壳后端和靠近进风口方向流动。整个蜗壳内部这种规律会一直持续下去，直到气体流出蜗壳。这种不同方向不同速度的流体相互掺混，压力损失很大。

这种现象的发生与蜗壳过宽有一定关系，如果蜗壳宽度与叶轮出口宽度相差不大，那么蜗壳中的旋涡就有可能减小，甚至大旋涡就可能消失。

因此，蜗壳宽度的选取不宜过大或过小，必须符合蜗壳内部的实际流动情况，综合考虑各因素对风机性能的影响。若蜗壳的宽度选择合理，而叶轮与蜗壳前端面或蜗壳后端面的间距过小，则因局部扩散不充分，引起附加的横向流动，造成过大的附加损失，使风机性能下降；而间距过大，则使蜗壳与转轴之间的缝隙造成的外泄漏过大，同样使风机性能下降。考虑两者对风机性能的影响，合理地选取叶轮到蜗壳侧壁间的间距值，使风机的性能相对最优。

3 结论

1）本文通过数值模拟的方法，研究了改变蜗壳宽度对风机性能的影响。结果表明，合理地改变蜗壳的宽度，对改善风机性能是有利的。

2）当B=-20mm时，风机性能相对最优，额定流量下风机全压提高了2.73%，效率提高了2.55%。

3）在选取蜗壳宽度时，必须综合考虑各因素对风机性能的影响，使风机的性能相对最优。

参考文献：

[1]孟宪德．风机节能应注意的几个问题[J]．煤炭技术，2004，23(3)：15～16．

  MENG Xiande:Several Problems for Fan EnergySaving that should pay attention to [J], Coal Technology，Vol. 23No.3(2004),p.15-16.

[2]安连锁．泵与风机[M]．北京：中国电力出版社，2001．

  AN Liansuo,in:Pumps and Fans[M], in: China ElectricPower Press ,Beijing,CN(2001),in press.

[3]王嘉冰．空调器风机内流中的旋涡流动及气动噪声预        测[D]．武汉：华中科技大学，2006．

  WANG jiabing.Air conditioner in the flow of the vortexflow fan noise measurement and pneumatic beforehand[D].in: Huazhong University of Science and Technology,2006.