離心風(fēng)機(jī)蝸殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 乾，楚武利

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

0 引 言

蝸殼作為離心風(fēng)機(jī)的一個(gè)固定部件，它的作用是將離開離心葉輪后的氣流成功地導(dǎo)向蝸殼的出口，同時(shí)將轉(zhuǎn)換部分動(dòng)壓為靜壓。由于蝸殼內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，不可避免地造成氣流的流動(dòng)損失，這會(huì)對(duì)離心風(fēng)機(jī)的整體性能有所影響。為了提高風(fēng)機(jī)的性能，目前國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于蝸殼優(yōu)化的研究，如文獻(xiàn)[1]提到了一種改變蝸殼橫截面形狀的方法，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[4]中提出了2種新的設(shè)計(jì)蝸殼型線的方法。文獻(xiàn)[3]提到了1種加裝防渦圈的方法。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了對(duì)哪些幾何參數(shù)的改變會(huì)影響到蝸殼的性能等?？梢钥闯觯瑢?duì)蝸殼性能有影響的參數(shù)很多，即使對(duì)于同一個(gè)參數(shù)，改進(jìn)方法也并不唯一。本文在一維設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，試圖尋找到一種新的蝸殼外形線的優(yōu)化方法。

1 對(duì)蝸殼進(jìn)行優(yōu)化

1.1 對(duì)基于一維設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬

1)本文的優(yōu)化對(duì)象為本教研室的1臺(tái)離心風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)的蝸殼外形線使用等環(huán)量法[3]設(shè)計(jì)。

2)使用流體力學(xué)計(jì)算軟件NUMECA中的IGG組件畫出風(fēng)機(jī)的三維圖形，劃分并粘貼好網(wǎng)格，如圖1所示。

3)把做好的IGG文件導(dǎo)入到NUMECA的FINE組件中，設(shè)定計(jì)算參數(shù)：進(jìn)口邊界條件給定靜溫、流速，出口給定平均靜壓，固壁為絕熱壁面；葉輪轉(zhuǎn)速2 920 r/min，數(shù)學(xué)模型選用Turbulent Navier-Stokes，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta法迭代求解，空間項(xiàng)采用中心差分格式的有限體積法進(jìn)行空間離散。同時(shí)采用局部時(shí)間步長(zhǎng)、隱式殘差光順和完全多重網(wǎng)格技術(shù)加快計(jì)算速度。當(dāng)殘差下降到10-6后認(rèn)為計(jì)算收斂。

圖1 離心風(fēng)機(jī)整機(jī)網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid distribution of the centrifugal fan

4)如果模擬結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)相差較大，分析原因，修改以上FINE的相關(guān)計(jì)算參數(shù)或更改IGG中的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。最后得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好的模擬結(jié)果。

1.2 以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)改進(jìn)蝸殼形線的方法

在等環(huán)量法中，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)忽略氣體的黏性，所以認(rèn)為氣流在整個(gè)流動(dòng)過程中保持動(dòng)量矩不變。如果考慮氣體的黏性作用，則動(dòng)量矩并不是不變的，而是隨著流動(dòng)的進(jìn)行逐漸減小。因此按等環(huán)量法設(shè)計(jì)的蝸殼形線與實(shí)際的有一定的偏差，應(yīng)對(duì)蝸殼形線進(jìn)行修正。方法如下：

1)對(duì)于以上離心風(fēng)機(jī)模擬后的結(jié)果，在NUMECA的CFView中通過后期處理得到蝸殼內(nèi)氣流所受黏性力對(duì)中心軸的總力矩M。

3)使用等環(huán)量法設(shè)計(jì)的蝸殼在繪制蝸殼型線[3]時(shí)，首先求出蝸殼終了截面的張開度A2π，不考慮黏性力矩的影響，則

圖2 改進(jìn)前后蝸殼外形線Fig.2 Volute with and without modification

5)把改型后得到的蝸殼用在原風(fēng)機(jī)上，在IGG中對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格的粘貼，盡量保持網(wǎng)格參數(shù)與改型前相同。在FINE中定義相關(guān)參數(shù)(保證風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的總溫、總壓、流量相等，其他參數(shù)如湍流模型，數(shù)學(xué)模型等都保持相同)，然后進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比改進(jìn)前后計(jì)算得到的結(jié)果(額定工況下，流量為3.3 kg/s)，如表1所示。

表1 改型前后性能對(duì)比

由表1可看出，改型后的蝸殼使風(fēng)機(jī)的總壓，靜壓和效率都有所提升。

2 改型結(jié)果分析

改型前，由于忽略了氣體黏性的作用，設(shè)計(jì)的蝸殼形線的張開度相對(duì)真實(shí)情況偏小，這使氣流在蝸殼內(nèi)的流動(dòng)與真實(shí)情況有偏差，體現(xiàn)為在蝸殼外壁面處，增加了氣流與壁面的沖擊。同時(shí)由于氣流的沖擊損失，使壁面處的氣流速度大小減小的更多，橫截面處氣流速度的不均勻度也增大，這也增加了氣流之間的參混損失。具體分析如下：

1)速度分布不均勻產(chǎn)生的影響

文獻(xiàn)[6]中提到速度平均不均勻度δ定義：

根據(jù)此定義,計(jì)算改型前后蝸殼各個(gè)截面的不均勻度，其中橫坐標(biāo)表示沿圓周方向各個(gè)角度的橫截面，縱坐標(biāo)為不均勻度。結(jié)果如圖3所示。

圖3 改型前后各截面速度平均不均勻度Fig.3 Compare velocity uniformity between with modification and without modification on different cross section

由圖3可以看出，改型后的蝸殼各截面的速度不均勻度總體下降。各截面的氣流流動(dòng)更加均勻，減少了由于速度的不均勻?qū)е碌臍饬髦g的參混損失。從圖3的結(jié)果中可以看出，135°截面的不均勻度減少得最為明顯，其速度分布云圖如圖4和圖5所示。

圖4 改型前蝸殼135°截面速度分布Fig.4 Speed distribution on 135° cross section without modification

圖5 改型后蝸殼135°截面速度分布Fig.5 Speed distribution on 135° cross section with modification

由圖4和圖5對(duì)比可以看出，改型前靠近蝸殼壁面的氣流速度相對(duì)于主流速度減小的更多，改型后的速度分布更加均勻。

2)截面靜壓分布不均勻產(chǎn)生的影響

與速度分布不均勻相同，同一截面上速度分布的不均勻度減小同樣意味著靜壓分布的不均勻度減小。而從蝸殼外緣到葉輪外緣方向上的靜壓是逐漸減小的。那么靜壓分布的不均勻度減小就表示了從蝸殼外緣到葉輪外緣的靜壓力梯度是減小的，這將減小蝸殼側(cè)壁表面邊界層內(nèi)的二次流損失。

3)蝸殼與風(fēng)機(jī)的匹配

如前所述，改型前的蝸殼各截面張開度相對(duì)于真實(shí)情況偏小。這樣，風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況工作時(shí)蝸殼實(shí)際將工作在大流量狀態(tài)。如圖6～圖8所示。

圖6 氣體在各工況下的流動(dòng)情況Fig.6 Flow mode in different work condition

圖6中，Qt表示蝸殼工作在設(shè)計(jì)工況下的流量，當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)，靠近蝸舌的地方一部分氣體未進(jìn)入蝸殼的螺型部分進(jìn)行減速增壓，而直接流向了出口。當(dāng)流量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，將有一部分氣體不流向出口，而重新進(jìn)入蝸殼。

圖7 改型前蝸殼內(nèi)氣流流動(dòng)情況Fig.7 Flow mode in volute that without modification

圖8 改型后蝸殼內(nèi)氣流流動(dòng)情況Fig.8 Flow mode in volute that with modification

由圖6～圖8可以看出，改型前的蝸殼內(nèi)氣流流動(dòng)與設(shè)計(jì)工況有偏差，接近于工作在大流量工況，改型后的蝸殼與風(fēng)機(jī)的工作更加匹配。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)蝸殼外形線的一維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，>并對(duì)基于蝸殼外形線一維設(shè)計(jì)的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，然后對(duì)原蝸殼設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。通過前面的分析和模擬結(jié)果得出如下結(jié)論：

1)蝸殼外周形線的一維設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便易于操作，但其中用到了較多的假設(shè)條件，設(shè)計(jì)結(jié)果往往與實(shí)際要求有一定的偏差。對(duì)這些假設(shè)條件的完善可以使設(shè)計(jì)結(jié)果更符合真實(shí)要求。

2)加入對(duì)氣體的黏性考慮后，對(duì)蝸殼外形線進(jìn)行改進(jìn)，從模擬結(jié)果看，氣流流動(dòng)更加符合真實(shí)情況，減小了損失，提高了效率。

3)在改進(jìn)過程中仍然使用了一些簡(jiǎn)化措施，所以效果并不是非常明顯，如果按照改進(jìn)思路繼續(xù)完善，會(huì)得到更好的效果。

[1] 慈蕾，謝蓉，孫濤，等.離心式壓縮機(jī)蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2005,18(3):40-43.

CI Lei,XIE Rong,SUN Tao,et al.Improvement of the volute design in a centrifugal compressor[J].Gas Turbine Technology，2005,18(3):40-43.

[2] 祁大同，姚承范,朱營(yíng)康，等.離心風(fēng)機(jī)蝸殼型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].流體機(jī)械,1995,23(9):9-12.

QI Da-tong,YAO Cheng-fan,ZHU Ying-kang，et al.Improvement of the volute design and experiment in a centrifugal fan[J].Fluid Machinery,1995,23(9):9-12.

[3] 成心德.離心通風(fēng)機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006：163-183.

[4] 姚承范,蒯鴻亮，朱營(yíng)康.低噪高效風(fēng)機(jī)蝸殼的研究[J].流體工程.1991(7).

YAO Cheng-fan,KUAI Hong-liang,ZHU Ying-kang.Reaserch on low noise and high performance of a fan volute[J].Fluid Project,1991(7).

[5] BALONI B D,CHANNIWALA D S A.Design and analysis of volute casing:a review[C].Proceedings of ASME Turbo Expo,2012,GT2012-68056.

[6] 吳國(guó)強(qiáng).壓氣機(jī)排氣蝸殼數(shù)值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008：38-39.

[7] MAJADDAM M,BENISI A H.Invesgation on effect of centrifugal compressor volute cross-section shape on performance and flow field[C].Proceedings of ASME Turbo Expo,2012,GT2012-69454.