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摘要:使用CFD數(shù)值計算軟件對一5.6號離心風機進風口與葉輪徑向間隙(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%)時的整機進行三維數(shù)值模擬，并且與葉輪和進風口沒有間隙的離心風機數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。分析間隙對內(nèi)部流場的影響，總結(jié)得到該離心風機全壓、內(nèi)功率和內(nèi)效率隨間隙變化情況 0引言 離心風機是工業(yè)生產(chǎn)部門使用非常廣泛的機械設(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)濟的運行直接關(guān)系著各個生產(chǎn)部門的經(jīng)濟效益。離心通風機中的損失可分為流動損失、泄漏損失、輪阻損失和機械損失等。為了保證高速旋轉(zhuǎn)的離心通風機旋轉(zhuǎn)的可靠性，進風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)過葉輪前蓋與進風口之間的泄漏形成循環(huán)流動，使葉輪對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)驗認為，進風口與葉輪之間的徑向間隙越小，內(nèi)泄漏損失會越小，故在制造工藝和安全運行的條件許可下，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機（機號5.6號）為模擬對象，使用三維造型軟件對進風口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)時的離心2風機整機建模，對建模后的整機劃分網(wǎng)格，再使用CFD數(shù)值計算軟件對整機進行數(shù)值分析，最后對計算結(jié)果進行對比分析，得到不同間隙對該機號風機的全壓、內(nèi)功率和效率的影響，總結(jié)得到不同間隙對間隙內(nèi)泄漏損失的影響。同時得到該機型的最佳的徑向間隙。2不同徑向間隙離心風機整機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對進風口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為離心風機整機建模，圖?表示的為間隙1??時的二維圖。建模時將整機分為?個區(qū)域，分別為進風口、葉輪、葉輪和進風口之間的間隙、以及機殼部分。 圖2表示三維數(shù)值計算模型和網(wǎng)格，計算網(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，離心通風機整機網(wǎng)格總數(shù)為230萬。 2.2CFD數(shù)值計算方法 在CFD數(shù)值計算中,使用K-?湍流模型求解相對坐標系下守恒形式的三維Navie-sokes方程?？臻g項采用有限體積中心離散方法[5]。采用四階Runge-kua法時間推進以獲得定常解。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：進口給定速度條件，根據(jù)不同流量給定不同的進口速度；出口為自由出口條件；葉輪給定旋轉(zhuǎn)速度. 2.3內(nèi)部流場分析 圖3表示的是間隙為4mm時間隙中的速度分布，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，同時間隙對氣流又產(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種不同間隙時蝸殼中截面的總壓分布。對比圖4和5可以得到，沒有間隙時的蝸殼中的總壓比有間隙時要明顯大，而且渦的分布也比有間隙時少。這就表明間隙會明顯減小風機的做功能力。隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。這也表明間隙泄漏對蝸舌部位的氣流影響較大。 2.4不同間隙時的全壓和內(nèi)效率比較 圖6和7分別表示的是葉輪進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，間隙的大小對全壓的影響較?。辉诖罅髁繀^(qū)域， 間隙的大小對全壓有較大的影響。這和理論分析的結(jié)果是一致的。 從圖7可以看出，和沒有間隙時的理想情況比，徑向間隙會明顯的降低整機的內(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，內(nèi)效率和沒有間隙時的情況比較接近，并且&dela;/D2為0.36%和0.54%時內(nèi)效率比較接近，而當&dela;/D2為0.71%時，效率又有比較明顯的下降。 對于該5.6號的風機，一般情況下做到&dela;/D2為0.18%要求比較高，實現(xiàn)起來既耗費時間又增加成本，但是同時又不希望效率降低過大，由于&dela;/D2由0.36%增加到0.54%時內(nèi)效率變化較小，所以該型風機最佳的徑向間隙量&dela;/D2為0.54%，這與經(jīng)驗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)值計算軟件對一5.6號高效離心風機進風口與葉輪徑向間隙(&dela;/D2)分別為時的整機進行三維建模和數(shù)值模擬，并且與沒有間隙時的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。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，同時間隙對氣流又產(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)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。間隙泄漏對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)效率都會減小。在綜合考慮制造成本和徑向間隙對內(nèi)效率的影響，得到該機型最佳的徑向間隙與葉輪直徑的比值&dela;/D2為0.54%。

   離心通風機中，氣流經(jīng)葉輪做功后壓力增高速度增加，雖然經(jīng)過了擴壓器的擴壓，速度進一步降低轉(zhuǎn)化為壓力能，但是通風機中的擴壓器基本都很簡單，相對高速的氣體進入蝸殼不但會出現(xiàn)尾流-射流現(xiàn)象，而且由于葉輪出口到蝸殼的突擴會在葉輪出口處產(chǎn)生不同旋轉(zhuǎn)強度的旋渦，這些都極大的影響了風機的效率。為了減少這種旋渦的出現(xiàn)，常常在蝸殼中安裝整流板，通過減小突擴從而減少大強度的旋渦，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。 本文研究了三個帶不同長度整流板的風機，其中model1風機整流板長度是180mm，model2風機的整流板長度是100mm，model3風機的整流板長度是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；葉輪和進口集流器部分使用相同的模型，葉輪和進口集流器之間的間隙為2mm。       圖10是整流板長度不同的模型風機整機模擬的性能曲線圖，可以看出三種模型的全壓和流量均達到了設(shè)計要求，在設(shè)計工況下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；效率的趨勢則基本與全壓趨勢保持一致，小流量下三種模型效率相差不大，在設(shè)計工況下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是不同長度整流板的風機設(shè)計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，氣流從葉輪進入蝸殼后壓力逐漸升高。圖12是不同長度整流板的風機設(shè)計工況下葉輪中心截面的相對速度分布，可以看出三個模型都在靠近蝸舌處的兩個葉道內(nèi)出現(xiàn)了渦旋，其中model2在上游的那個流道渦旋強度較大，下游流道渦旋強度很小，流 動狀況最好，model1雖然在兩個流道內(nèi)都產(chǎn)生渦旋，渦旋強度較大，流動狀況尚可，model3在兩個流道內(nèi)都產(chǎn)生了比較大的渦旋，基本占據(jù)整個流道，流動狀況最差。這也說明風機下游設(shè)備會對上游設(shè)備產(chǎn)生影響。   結(jié)論：比較了不同長度的整流板對風機性能的影響，整流板過長會使其距離葉輪前盤的間隙過小，氣流在從葉輪進入蝸殼的時候流動非常不均勻，產(chǎn)生較大的流動損失，影響了風機的全壓和效率，整流板太短則會明顯減弱集流器與葉輪之間的氣體泄漏阻擋效果，也會影響 全壓和效率，合理長度的整流板會破壞因為葉輪、蝸殼突擴產(chǎn)生的大尺度漩渦，同時對進口集流器和葉輪之間的氣體泄漏也有一定的阻擋作用，減少了流動損失和泄漏損失，提高了全壓和效率。