離心風(fēng)機(jī)切割定律的研究和探討

唐照付 金守清 朱如洪 李品善/上海諾地樂通用設(shè)備制造有限公司

離心風(fēng)機(jī)切割定律的研究和探討

唐照付 金守清 朱如洪 李品善/上海諾地樂通用設(shè)備制造有限公司

本文在風(fēng)機(jī)相似定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出離心風(fēng)機(jī)的切割定律計(jì)算公式。通過試驗(yàn)和CFD對(duì)幾種風(fēng)機(jī)進(jìn)行葉輪切割研究，給出了比轉(zhuǎn)速為～14的離心風(fēng)機(jī)修正系數(shù)k與切割量占比的線性關(guān)系，對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪切割后性能推算具有指導(dǎo)意義。

離心風(fēng)機(jī)；切割定律；葉輪；CFD

0 引言

離心風(fēng)機(jī)的應(yīng)用范疇非常廣泛，在實(shí)際使用時(shí)由于選型或設(shè)計(jì)的原因，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)性能與實(shí)際需要的性能或多或少存在一些偏差，一般的方法有通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、管路系統(tǒng)配置調(diào)節(jié)風(fēng)閥等來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能。離心風(fēng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)相對(duì)皮帶驅(qū)動(dòng)易損件少、更可靠，但由于直聯(lián)時(shí)受轉(zhuǎn)速限制，性能比較固定，配置變頻器又增加了設(shè)備成本，這樣就限制了直聯(lián)風(fēng)機(jī)的選型空間。一般風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家都是按系列化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的，當(dāng)遇到風(fēng)機(jī)性能不滿足客戶需求時(shí)，需要進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，但往往設(shè)計(jì)不精確，開發(fā)周期長費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于離心風(fēng)機(jī)切割定律的文獻(xiàn)報(bào)道極少，借鑒離心泵的切割定律[1-2]，本文旨在探討離心風(fēng)機(jī)葉輪切割對(duì)性能的影響規(guī)律，希望能為風(fēng)機(jī)相關(guān)工程技術(shù)人員在非標(biāo)葉輪設(shè)計(jì)及現(xiàn)有風(fēng)機(jī)改造設(shè)計(jì)方面提供一些參考。

1 離心風(fēng)機(jī)切割公式推導(dǎo)

葉輪切割就是將葉輪外緣車掉一部分，往往需要切割的量不是很多，否則性能改變過大，嚴(yán)重影響效率。當(dāng)葉輪切割量很小時(shí)，葉片出口寬度和出口安裝角變化都不是很大，在一定程度上滿足風(fēng)機(jī)相似定律，但需要對(duì)相似定律進(jìn)行修正即得到切割定律。

風(fēng)機(jī)相似定律[3-4]：

相同轉(zhuǎn)速相同進(jìn)氣條件下的相似定律為：

為了使風(fēng)機(jī)的相似定律更加精確地應(yīng)用于切割后的性能推算，這里引入修正系數(shù)K，則切割量：

將式（9）帶入式（4）～（6）得修正后的相似定律即切割公式：

式中，Q，P，N，D2為利用相似定律計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)變量；QM，PM，NM，D2M為模型變量；D2'為利用切割公式計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)變量。

這里，由于切割量越多或切割后葉片出口寬度及出口安裝角變化越大，切割定律相對(duì)相似定律誤差越大，修正系數(shù)K就越大，下面將借助試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬來探討K值。

2 試驗(yàn)研究

利用本公司現(xiàn)有條件，選取一臺(tái)箱式離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)原型及切割后尺寸如表1所示。

1#、2#和3#風(fēng)機(jī)實(shí)際測(cè)試結(jié)果（試驗(yàn)平臺(tái)為上海諾地樂通用設(shè)備制造有限公司AMCA國際認(rèn)證的空氣動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試方法為A型風(fēng)室進(jìn)氣試驗(yàn)）[5]如圖1所示。

表1 不同切割占比對(duì)應(yīng)的葉輪尺寸參數(shù)表

圖1 葉輪不同切割占比性能對(duì)比圖

2#風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和1#風(fēng)機(jī)相似換算數(shù)據(jù)及1#風(fēng)機(jī)切割定律推導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

3#風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和1#風(fēng)機(jī)相似換算數(shù)據(jù)及1#風(fēng)機(jī)切割定律推導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

據(jù)圖2和圖3可知，葉輪切割后實(shí)測(cè)性能與用相似定律推導(dǎo)的數(shù)據(jù)存在較大誤差，相似定律推導(dǎo)的數(shù)據(jù)偏小，切割量越多，誤差越大；而修正后的相似定律即切割定律計(jì)算出的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合很好，這里所選的修正系數(shù)K值2#風(fēng)機(jī)為1.1，3#風(fēng)機(jī)為1.25，可見切割量越多修正系數(shù)越大。由于試驗(yàn)條件限制，為了得到K值的普遍選取規(guī)律，下面將借助CFD這一經(jīng)濟(jì)可行的方法對(duì)其進(jìn)行研究。

圖2 2#風(fēng)機(jī)性能切割與相似對(duì)比圖

圖3 3#風(fēng)機(jī)性能切割與相似對(duì)比圖

3 CFD數(shù)值模擬對(duì)K值選取的研究

圖4 箱式風(fēng)機(jī)流場(chǎng)圖

為了驗(yàn)證所選計(jì)算方法的可靠性，將上述箱式離心風(fēng)機(jī)的CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。數(shù)值模擬所選軟件CFX，風(fēng)機(jī)模型及流場(chǎng)分布見圖4。模擬采用四面體網(wǎng)格，邊界層inflation設(shè)置3層，cell單元數(shù)525萬，分析類型為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮，湍流模型SST，動(dòng)靜子交界面interface Models：General Connection，坐標(biāo)系變換或混合模型選Frozen Rotor即凍結(jié)轉(zhuǎn)子法，Pitch Change選None，Mesh Connection選GGI，壁面函數(shù)選自動(dòng)Automatic。求解器對(duì)流項(xiàng)選迎風(fēng)格式Upwind，湍流計(jì)算采用高階算法High Resolution。邊界條件為速度進(jìn)口，自由出口，葉輪壁面無滑移旋轉(zhuǎn)，其余壁面為靜止[6]。CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖5。

圖5 CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

如圖5對(duì)比可知所選CFD計(jì)算方法得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，全壓最大誤差4.5％；功率最大誤差5.5％，實(shí)測(cè)功率是軸功率，CFD所計(jì)算功率為空氣功率即內(nèi)功率，所以兩者誤差較大一些。說明該CFD方法具有一定參考意義。故在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了另外兩種型號(hào)的風(fēng)機(jī)(如表2），并對(duì)葉輪進(jìn)行一定量的切割。

風(fēng)機(jī)一切割后CFD數(shù)據(jù)與用切割前CFD數(shù)據(jù)進(jìn)行切割定律推算后的數(shù)據(jù)對(duì)比見圖6。

風(fēng)機(jī)二切割后CFD數(shù)據(jù)與用切割前CFD數(shù)據(jù)進(jìn)行切割定律推算后的數(shù)據(jù)對(duì)比見圖7。

圖6 風(fēng)機(jī)一CFD數(shù)據(jù)與切割定律推導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 風(fēng)機(jī)二CFD數(shù)據(jù)與切割定律推導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表2 不同風(fēng)機(jī)切割修正系數(shù)表

綜合上述各風(fēng)機(jī)修正系數(shù)K值和切割占比的關(guān)系，擬合成如圖8所示的曲線。經(jīng)過我公司比轉(zhuǎn)速為9～14其他型號(hào)風(fēng)機(jī)切割定律的CFD驗(yàn)證，圖8所示修正系數(shù)K值與切割占比的關(guān)系吻合很好，這里不再贅述性能的對(duì)比情況。

圖8 修正系數(shù)K值與切割占比的關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）根據(jù)風(fēng)機(jī)相似定律推導(dǎo)出修正后的離心風(fēng)機(jī)相似定律，即切割定律公式。

2）修正系數(shù)K值與切割量（切割占比）有關(guān)，切割占比越大K值越大。當(dāng)比轉(zhuǎn)速在9～14之間時(shí)，K值與切割量占比基本成正相關(guān)，修正系數(shù)K與切割占比的關(guān)系曲線見圖8。

3）由于本文研究的離心風(fēng)機(jī)種類較少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充足，本文提出的K與切割占比的規(guī)律僅供與本文相近類型風(fēng)機(jī)和比轉(zhuǎn)速為7～14的離心風(fēng)機(jī)參考使用。K值的普遍規(guī)律以期后續(xù)研究完善。

[1]關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[2]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M].中國宇航出版社,2011.

[3]李慶宜.通風(fēng)機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

[4]徐忠.離心式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[5]ANSI/AMCA 210-07.Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating,2007.

[6]丁源，吳繼華.ANSYS CFX 14.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2013.

ResearchandDiscussionon Cutting-downLawfor Centrifugal Fans

Tang Zhao-fu,Jin Shou-qing,Zhu Ru-hong, LiPin-shan/ShanghaiNautilusGeneral Equipment Manufacturing Co.,Ltd

The cutting law for centrifugal fansisdeducedbasedonsimilarity betweenlawsoffansinthispaper. Through research on impeller cutting on several kinds of fan by experiment and CFD methods,the relation of correction factor k is linear to cutting value for centrifugal fans with rotation speeds of 9～14.This offers some guidance for deducing centrifugal fan performance after cutting the impeller.

centrifugal fan;cutting-down law;impeller;CFD

TH432;TK05

A

1006-8155（2016）02-0066-04

10.16492/j.fjjs.2016.02.0060

2015-10-28上海201806