系列化雙吸硫酸風(fēng)機(jī)通用蝸殼的設(shè)計(jì)及性能分析

冀文慧/大連中意透平科技有限公司

冀春俊 孫琦*/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

系列化雙吸硫酸風(fēng)機(jī)通用蝸殼的設(shè)計(jì)及性能分析

冀文慧/大連中意透平科技有限公司

冀春俊 孫琦*/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

運(yùn)用CFD軟件NUMECA對(duì)某雙吸硫酸風(fēng)機(jī)系列化葉輪中的最大流量葉輪和最小流量葉輪進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)系列化葉輪通用的蝸殼。采用自由運(yùn)動(dòng)速度法分別設(shè)計(jì)常用的易于制造的圓形蝸殼和方形蝸殼進(jìn)行性能對(duì)比。通過計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)方形蝸殼比圓形蝸殼效率和壓比均較高，具有較好的變工況性能。設(shè)計(jì)系列化葉輪通用的蝸殼有助于減少蝸殼數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)用數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)方法具有方便快捷、成本低、調(diào)整性好等較多優(yōu)勢(shì)。

雙吸硫酸風(fēng)機(jī)；蝸殼；系列化

0 引言

硫酸工藝是化工行業(yè)極其重要而常見的一項(xiàng)工藝。在整個(gè)工藝過程中，硫酸鼓風(fēng)機(jī)作為重要的設(shè)備被安置在干燥器之后，轉(zhuǎn)化、吸收工段之前，主要起負(fù)壓抽取、正壓輸送的作用[1-2]。

硫酸風(fēng)機(jī)一般具有流量運(yùn)行范圍寬，尺寸大等特點(diǎn)。其葉輪目前主要采取焊接或整體銑制的加工方法，而蝸殼多采用鑄造形式。實(shí)際生產(chǎn)中，鑄造蝸殼模具較為昂貴，而在硫酸風(fēng)機(jī)的系列化設(shè)計(jì)中常采用單蝸殼配系列化葉輪進(jìn)而適合多流量不同設(shè)計(jì)要求[3]。本文以某公司硫酸風(fēng)機(jī)系列化設(shè)計(jì)為前提進(jìn)行了系列化葉輪所需蝸殼的匹配性設(shè)計(jì)并予以性能分析，對(duì)硫酸風(fēng)機(jī)的系列化設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

1 研究對(duì)象及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

以某硫酸風(fēng)機(jī)系列化用最大流量葉輪I1和最小流量葉輪I2為研究對(duì)象（如圖1外徑均為1 200mm），結(jié)合蝸殼的設(shè)計(jì)理論分別設(shè)計(jì)了目前較為常用的圓形蝸殼和矩形蝸殼，并對(duì)其性能進(jìn)行了對(duì)比分析。首先進(jìn)行葉輪的數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行蝸殼設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能分析。

圖1 葉輪I1，I2幾何模型圖

本文采用NUMECA軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分及計(jì)算。在劃分網(wǎng)格時(shí)，分別采用了AutoGrid5中推薦的高、中、低三個(gè)等級(jí)數(shù)量的網(wǎng)格。通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終選定中等數(shù)量級(jí)別的網(wǎng)格（145萬(wàn)）。葉輪三維網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 葉輪I1，I2網(wǎng)格模型圖

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算采用Navier-Stockes方程和時(shí)間推進(jìn)法求解，Sparlart-Allmaras湍流模型，空間二階精度的中心離散格式，同時(shí)采用多重網(wǎng)格，隱式殘差光順技術(shù)加速收斂。計(jì)算邊界條件給定如下：

工質(zhì)：含二氧化硫混合氣體（K=1.372 1；Cp= 1 087.1J（kg·K））

進(jìn)口：總溫333K、總壓71kPa、密度0.733 1 kg/m3、軸向進(jìn)氣

出口：給定質(zhì)量流量

轉(zhuǎn)速：5 324r/min

初場(chǎng)：均勻場(chǎng)

設(shè)計(jì)流量范圍：

I1：（雙吸:2 142～2 856m3/min）

I2：（雙吸:1 800～2 140m3/min）

2 葉輪計(jì)算結(jié)果分析

使用數(shù)值計(jì)算軟件NUMECA對(duì)雙吸葉輪進(jìn)行詳細(xì)的穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算得到了葉輪壓力分布情況如圖3所示。各葉輪計(jì)算的變工況性能曲線如圖4和圖5所示。從圖中可以看出葉輪子午壓力梯度較好，變工況性能也較好，壓比和效率均較高，達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。

表1 各葉輪效率、壓比數(shù)據(jù)表

圖3 I1大輪（右）I2小輪（左）子午壓力分布圖

圖4 I1葉輪壓比與效率隨流量變化曲線圖

圖5 I2葉輪壓比與效率隨流量變化曲線圖

3 蝸殼的設(shè)計(jì)及計(jì)算

排氣蝸殼是硫酸風(fēng)機(jī)重要的固定元件，它收集葉輪排出的氣體引到機(jī)外供工藝流程使用。蝸殼形式多樣如圓形，梯形，梨形，方形和非對(duì)稱蝸殼等形式，目前常用的主要是圓形和方形兩類。本文根據(jù)葉輪的計(jì)算結(jié)果，采取大流量葉輪和小流量葉輪中間流量為蝸殼設(shè)計(jì)流量的設(shè)計(jì)方式利用自由運(yùn)動(dòng)速度法即cur=const的方法計(jì)算蝸殼各個(gè)控制截面的面積設(shè)計(jì)蝸殼型線[4-6]。

3.1 圓形蝸殼的計(jì)算分析

根據(jù)蝸殼的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了圓形截面的蝸殼，分別匹配給系列輪大流量葉輪I1和小流量葉輪I2，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。網(wǎng)格總數(shù)分別為6 136 281和6 448 461。

圖6 I1輪和I2輪配圓形蝸殼計(jì)算網(wǎng)格圖

圖7 I1輪配圓蝸殼蝸舌處總壓及速度分布圖

圖8 I2輪配圓蝸殼蝸舌處總壓及速度分布圖

從計(jì)算結(jié)果看，圓形蝸殼的設(shè)計(jì)基本滿足要求，模型I1在小、中間、大流量26.172kg/s、30.548kg/s、34.896kg/s的多變效率分別為0.845 64，0.895 23，0.878 53。模型I2在小、中間、大流量21.993kg、24.07kg/s、26.147kg/s的多變效率分別為0.811 21，0.815 12，0.815 49。

從圖7和圖8可以看出，圓形蝸殼配小流量葉輪I2時(shí)，擴(kuò)壓器出口的流體與蝸舌相撞，在小截面處流體產(chǎn)生了旋渦增加了一定的蝸殼損失。

3.2 方形蝸殼的計(jì)算分析

根據(jù)蝸殼的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了方形截面的蝸殼，分別匹配給系列輪大流量葉輪I1和小流量葉輪I2，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。采用和圓形蝸殼相同的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格總數(shù)分別為6 136 281和6 448 461。

圖9 I1輪和I2輪配方形蝸殼計(jì)算網(wǎng)格圖

圖10 I1輪配方蝸殼蝸舌處總壓及速度分布圖

圖11 I2輪配方蝸殼蝸舌處總壓及速度分布圖

從計(jì)算結(jié)果看，方形蝸殼的設(shè)計(jì)基本滿足要求，模型I1在小流量26.172kg/s、中間流量30.548kg/s、大流量34.896kg/s的多變效率分別為0.857 46，0.903 25，0.892 13。模型I2在小流量21.993kg/s、中間流量24.07kg/s、大流量26.147kg/s的多變效率分別為0.821 60，0.828 23，0.826 93。

從圖10和圖11可以看出，方形蝸殼配小流量葉輪I2時(shí)，在小截面蝸舌處也流體產(chǎn)生了旋渦。

表2 各葉輪配圓蝸殼效率、壓比數(shù)據(jù)表

表3 各葉輪配方蝸殼效率、壓比數(shù)據(jù)表

3.3 圓形和方形蝸殼的對(duì)比分析

經(jīng)過對(duì)圓形蝸殼和方形蝸殼分別匹配大流量葉輪I1和小流量葉輪I2的變工況計(jì)算分析，分別獲得了圓形蝸殼和方形蝸殼在全流量范圍內(nèi)的變工況性能。

圖12 I1葉輪、配圓蝸殼、配方蝸殼效率曲線圖

圖13 I1葉輪、配圓蝸殼、配方蝸殼壓比曲線圖

從計(jì)算得到的圓形蝸殼和方形蝸殼的變工況多變效率曲線圖（圖12、圖14）及壓比曲線圖（圖13、圖15）中可以看出I1大流量葉輪配圓蝸殼和方蝸殼的效率比I2小流量葉輪高，但沒有I2葉輪效率變化平緩。整體比較來看加蝸殼后效率壓比較葉輪均有一定下降，平均降低4％～7％左右，方形蝸殼不管配小流量葉輪還是大流量葉輪的效率和壓比均比圓形蝸殼與葉輪匹配高一些。所以最終選定方形蝸殼作為生產(chǎn)用的系列化葉輪通用蝸殼。

圖14 I2葉輪、配圓蝸殼、配方蝸殼效率曲線圖

圖15 I2葉輪、配圓蝸殼、配方蝸殼壓比曲線圖

4 結(jié)論

1）系列化雙吸葉輪通用蝸殼的設(shè)計(jì)有助于減少蝸殼數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，通過數(shù)值模擬技術(shù)設(shè)計(jì)系列化葉輪用蝸殼具有方便快捷，成本低，調(diào)整性好等較多的優(yōu)勢(shì)。

2）通過計(jì)算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的方形蝸殼比圓形蝸殼效率和壓比均較高，方蝸殼較圓蝸殼總壓損失小且具有較好的變工況性能。

[1]王志美.德國(guó)SCHIELE風(fēng)機(jī)在硫酸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].株冶科技,2000,8,28(3):16-18.

[2]F.J.Doering,J.L.Gaddy.Optimization of the Sulfuric Acid Process with a FlowsheetSimulator[J].Computers＆amp;Chemical Engineering,1980,4(1):113-122.

[3]郭定基.法國(guó)SO2風(fēng)機(jī)和國(guó)產(chǎn)SO2風(fēng)機(jī)在100kt/a硫酸裝置中的使用情況[J].硫酸工業(yè),1994(2):38-39.

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[5]孫長(zhǎng)輝,劉正先,王斗,等.蝸殼變型線改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)性能的研究[J].流體機(jī)械,2007,35(4):1-5.

[6]葉舟,王企鯤,鄭勝.離心通風(fēng)機(jī)蝸舌及出口流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2008(5):15-19.

Design and Performance Analysis of GeneralVoluteMatchedwith Serialization Double Suction Sulfuric Acid Fan

Ji Wen-hui/Dalian Zhongyi Turbomachinery Co.,Ltd.
Ji Chun-jun，Sun Qi/School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology
ZhaoBao-de，XuYang-zhuo/Shenyang Blower Works Group Corporation

A general volute matched with a serialization impeller was designed based on the results of simulated calculation of maximum and minimum flow in a double suction Sulfuric acid fan,with the serialization generated via by CFD software NUMECA.A free motion velocity method was utilized to design a commonly used and easily produced circular volute and square voluterespectivelytocomparetheir performance.According to calculations and the comparison results,the square volute is both higher than the circular volute in efficiency and pressure ratio,and has good performance under variable conditions.The design of general volutes for serialized impellers can help reduce the number of volutes While simultaneously lowering the productioncost.Usinganumerical simulationmethodalsohasmany advantages in the design of volutes,such as convenience,low cost and ease of making adjustments.

double suction sulfuric acid fan;volute;serialization

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2016）02-0042-05

10.16492/j.fjjs.2016.02.0084

*本文其他作者：趙寶德徐養(yǎng)卓/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

2015-05-08遼寧大連116024