G47－3No.8D型風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱內(nèi)氣體流動的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉福慶，王慶霞，徐平

（1.河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北省 保定市 073000；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市 1001923.吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林省 吉林市 132001）

0 引 言

進(jìn)氣箱是離心風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)之一，其出口與集風(fēng)器入口相連接。從效率的角度看最好不用進(jìn)氣箱［1］，例如雙吸式離心通風(fēng)機(jī)，在裝有進(jìn)氣箱及進(jìn)氣彎道時(shí)，由于設(shè)備損失增加，致使通風(fēng)機(jī)設(shè)備效率比通風(fēng)機(jī)效率降低3%5%。然而對于雙支承的大型風(fēng)機(jī)，特別是雙進(jìn)氣的離心通風(fēng)機(jī)仍不得不采用進(jìn)氣箱。一方面，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口需要轉(zhuǎn)彎時(shí)安裝進(jìn)氣箱能改善進(jìn)口流動狀況，減少因氣流不均勻進(jìn)入葉輪而產(chǎn)生流動損失；另一方面，安裝進(jìn)氣箱可使軸承裝于通風(fēng)機(jī)的機(jī)殼外，便于安裝和維修，使鍋爐引風(fēng)機(jī)軸承工作條件更為有利［2］。

進(jìn)氣箱的幾何結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到氣體在進(jìn)氣箱內(nèi)的流動狀況，而且對風(fēng)機(jī)葉輪入口處的速度場和氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)后的狀態(tài)有較大影響。多年來，產(chǎn)品開發(fā)者大多注重對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動部件（葉輪等）的研究［3－4］，而對于進(jìn)氣箱這類靜止部件研究甚少。實(shí)際上，進(jìn)氣箱存在問題較多，主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：一是進(jìn)氣箱內(nèi)部流場混亂，流動損失較大；二是出口速度分布極不均勻，甚至有回流現(xiàn)象發(fā)生，從而造成動葉進(jìn)口條件惡化［5］。可見優(yōu)化進(jìn)氣箱的結(jié)構(gòu)是十分必要的。合理改造進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)可以改善箱內(nèi)和出口氣體流動狀況，從而提高風(fēng)機(jī)效率。同時(shí)，由于進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)比較簡單，所以便于改造、投資小、見效快。目前對進(jìn)氣箱內(nèi)氣體流動特性的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究方面［6－8］。本文采用 NUMECA 軟件對 G47－3No.8D型風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣箱進(jìn)行數(shù)值模擬，從理論上揭示流場壓力損失的成因。

1 計(jì)算模型及邊界條件

使用有限體積法離散三維Navier－Stokes方程，湍流模型為Spalart－Allmaras模型，離散格式為中心差分格式。進(jìn)氣箱網(wǎng)格劃分如圖1所示。

式中：ρ為流體密度；U 為流體速度矢量；φ為通用變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

對于解決動力漩渦黏性問題，Spalart－Allmaras模型是相對簡單的方程，它包含了一組新的方程，在這些方程里不必去計(jì)算和剪應(yīng)力層厚度相關(guān)的尺度，計(jì)算量比較小。湍流計(jì)算中，當(dāng)精確計(jì)算不是必要條件時(shí)，采用Spalart－Allmaras模型是比較好的選擇。對于本文，目的是對不同的模型進(jìn)行比較，并不需要精確計(jì)算，因此選擇了Spalart－Allmaras模型，其式為

計(jì)算工質(zhì)為空氣，采用速度入口和壓力出口邊界條件。入口速度為16m／s，速度方向垂直于入口截面，出口靜壓力為101.2kPa，溫度為293K。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

前蘇聯(lián)學(xué)者研究結(jié)果表明［11］：水流流經(jīng)彎頭時(shí)，由于離心慣性力的作用，外壁壓力升高，內(nèi)壁壓力降低；外壁處的流速相應(yīng)地較小，內(nèi)壁處的流速則較大。這樣，靠近外壁產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)，內(nèi)壁則產(chǎn)生收斂效應(yīng)。又由于離心慣性力的作用，水流在彎頭中向外壁方向流動，因此加強(qiáng)了水流對內(nèi)壁的脫離，在內(nèi)壁附近形成渦流區(qū)，并作三維擴(kuò)散，致使有效斷面減小?？諝庠趶澢艿乐械牧鲃油瑯右簿哂羞@種流動特性。

圖2是進(jìn)氣箱的軸向中心截面與出口截面的速度矢量圖。

圖2 速度矢量圖Fig.2 Velocity vector diagram

由圖2（a）可以看出，進(jìn)氣箱底部是一個(gè)90°的直角轉(zhuǎn)彎。流體流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處時(shí)，在離心慣性力的作用下，轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)壓力會急劇下降，而外側(cè)壓力提高。流體將會在有限的區(qū)域高速流動，而在其他區(qū)域的速度明顯低于該區(qū)域。在轉(zhuǎn)彎低部靠近左側(cè)壁面遠(yuǎn)離高速區(qū)域，一部分高速流體將從主流區(qū)流向此處，因此產(chǎn)生一個(gè)小型的渦流區(qū)域。在右側(cè)上方靠近壁面處，由于高速的流體經(jīng)過轉(zhuǎn)彎處后與壁面脫離，此處流動速度非常低。而它的下部是主流區(qū)域，流體的流動速度很高，因而周圍的流體就會沿壁面向上部補(bǔ)充，在這個(gè)區(qū)域產(chǎn)生了強(qiáng)的大型渦流。并且由于此處靠近出口，旋渦還會引導(dǎo)一部分流體從出口流向模型內(nèi)部，故同時(shí)伴隨較強(qiáng)的回流，如圖2（b）所示。上述渦流和回流中流體相互摩擦產(chǎn)生耗散效應(yīng)，使流體能量損失很大。

另外，由圖2可以看到一個(gè)連續(xù)的高速區(qū)域，尤其在模型出口前段，流體被限制在距出口大約2／3的范圍內(nèi)，流體速度很高。高速的流體與周圍低速流體和壁面相互摩擦使能量損失增加?？梢娺@種結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣箱內(nèi)部流場比較混亂，出口速度極不均勻。此模型出口連接的是風(fēng)機(jī)葉輪，因此還會導(dǎo)致葉輪的進(jìn)口氣流不穩(wěn)定，擾亂葉輪內(nèi)流體的正常分布，使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率大大下降。高速流體沖擊葉輪和葉片會給風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行帶來不穩(wěn)定因素，這種不穩(wěn)定的流動還會帶來較大的噪聲和振動，惡化了風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境。

3 改造方案

3.1 計(jì)算模型

為了提高進(jìn)氣箱效率，降低流體的能量損失，針對產(chǎn)生渦流和回流的部位對進(jìn)氣箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以此改善渦流區(qū)域的流動狀況，消除或減弱渦流。為了消除進(jìn)氣箱底部左側(cè)的渦流，減弱流體對底部的沖擊，提出了如圖3（b）所示的改造模型，即將進(jìn)氣箱下部直角轉(zhuǎn)彎處改為平滑的圓弧形，其中的圓弧半徑R為47cm，與左側(cè)豎直的壁面相切。而為了減弱出口的渦流和回流，又在第1種方案的基礎(chǔ)上在進(jìn)氣箱的水平通道的中心位置處加入1塊水平的導(dǎo)流板與1塊傾斜的導(dǎo)流板，如圖3（c）—（f）所示，導(dǎo)流板將圓柱分割成了2個(gè)部分。

圖3 進(jìn)氣箱及其改造模型軸向截面圖Fig.3 Axial section of inlet box and its reformation models

改造后的模型采用的計(jì)算方法和邊界條件與原進(jìn)氣箱模型相同。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

圖4是改造后的進(jìn)氣箱模型軸向中心截面與出口截面處的速度矢量圖和出口截面的等速度線分布圖。表1給出了6種模型的壓力損失值。

由圖4（a）可以看出，將進(jìn)氣箱下部改為圓弧形后，氣體在這里可以沿著壁面平滑地轉(zhuǎn)彎，減弱了此處流體對進(jìn)氣箱下部的沖擊，使氣體流動更加順暢，這樣就消除了其下部的渦流，達(dá)到了減小流動損失的

?

3.2.1 改造模型1

目的。但是將進(jìn)氣箱下部改為圓弧形后，對上部的流場幾乎沒有影響，強(qiáng)渦流與大回流依然存在。而此處是流動損失較大的部位之一，所以對流動阻力的減小沒有太大的幫助。再者，由于高速的流體還在原來的區(qū)域活動，并且沒有減弱，所以由這個(gè)因素產(chǎn)生的損失也沒有減小。因此在此模型的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改造，提出了以下幾種改造模型。

3.2.2 其他改造模型

改造模型2、3都是在改造模型1的基礎(chǔ)上加入了1塊水平導(dǎo)流板。如圖4（b）、（c）所示，由于加入了導(dǎo)流板，從彎管內(nèi)側(cè)切過來的高速流體被一分為二。從導(dǎo)流板上面流過的流體沖擊由強(qiáng)渦流和大回流組成的區(qū)域下部，內(nèi)側(cè)流體脫離壁面的程度降低，使得出口渦流與回流區(qū)域明顯減小。由于這部分區(qū)域的減小和區(qū)域內(nèi)渦流和回流的減弱，使得阻力損失減小很多，并且模型的出口處速度分布也有所改善，有利于風(fēng)機(jī)運(yùn)行。從導(dǎo)流板下側(cè)流過的流體基本還按原來的軌跡流動，但是導(dǎo)流板下側(cè)的空間（由上側(cè)高速流體占據(jù)）會使這部分流體速度稍微降低，且在出口處占據(jù)了模型的下半部分。這樣就使得流體速度梯度和出口速度有所降低，在一定程度上限制了阻力損失，優(yōu)化了葉輪入口速度分布。由圖4可以看出，改造后的風(fēng)箱出口氣流分布相對均勻，回流和渦流也大大減低。當(dāng)然，導(dǎo)流板也會增加流體的摩擦損失，增加了氣流的湍流度，使得阻力損失有所上升。

改造模型4（見圖4（d））是在圓柱的中心加裝1塊傾斜的導(dǎo)流板，目的是為了使出口較低的上部速度提高，并且用高速流體壓縮原上部低速區(qū)域，使得原來的大渦流和強(qiáng)回流進(jìn)一步減弱。從實(shí)際計(jì)算的結(jié)果看這兩點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)得很好。由于導(dǎo)流板距離模型出口很近，流體在這個(gè)區(qū)域還沒有充分作用就進(jìn)入葉輪內(nèi)部，使得出口（葉輪入口）中心位置速度很低。這種中心速度低、四周速度高的流體分布，有利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。但是由于傾斜，使得導(dǎo)流板下部的渦流區(qū)域擴(kuò)大，壓力損失也相應(yīng)增加很多。

改造模型4＊（見圖4（e））是在改造模型4的基礎(chǔ)上改造而成的，將模型4的導(dǎo)流板換成機(jī)翼形的葉片。改造后發(fā)現(xiàn)，原來的大渦流和強(qiáng)回流得到了有效的抑制，新出現(xiàn)的渦流很小，出口的速度分布更加均勻，壓力損失比改造模型4小很多。

從改造后的結(jié)果看，改造模型4＊對原渦流和回流的抑制效果最好，改造模型2的效果最差，而改造模型3和改造模型4＊的出口速度分布最均勻。由表1可以看出，加裝導(dǎo)流板后壓力損失增加很多，尤其是加裝傾斜式導(dǎo)流板后壓力損失最大。改造模型2與改造模型3的壓力損失相差不大，但是改造模型3的出口速度分布更均勻，如果將其改成機(jī)翼型導(dǎo)流板，那么效果將更好，損失將更小。如果用改造模型3作為風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣箱，雖然風(fēng)機(jī)入口壓力損失會有所提高，但是更有利于風(fēng)機(jī)流場的分布，有利于提高風(fēng)機(jī)性能和風(fēng)機(jī)壓頭。

4 結(jié) 論

進(jìn)氣箱的幾何結(jié)構(gòu)對氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)后的流動狀態(tài)的影響極為顯著。采用數(shù)值計(jì)算軟件對進(jìn)氣箱內(nèi)部流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬可以直觀地顯示出其內(nèi)部的三維流場，便于找到影響流體流動的因素，進(jìn)行合理的改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文對引風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱進(jìn)行了數(shù)值模擬，并針對其不足之處進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用本文提出的進(jìn)氣箱改造方案，流體流動阻力雖然比改造前有所增加，但是出口速度分布更加均勻，有利于提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率和性能。

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