核級(jí)離心通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)、運(yùn)行性能及振動(dòng)特性分析

遲鵬

摘 要：本文采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)某型號(hào)離心通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)性能。

關(guān)鍵詞：離心通風(fēng)機(jī)；流場(chǎng)分析；運(yùn)行分析；振動(dòng)分析

中圖分類號(hào)：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.工作原理

多翼離心通風(fēng)機(jī)利用葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，將機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為氣流流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和壓力勢(shì)能。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括集流器、葉輪和螺旋形機(jī)殼（蝸殼）3部分。離心通風(fēng)機(jī)壓力系數(shù)高、流量系數(shù)大、運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲較低，因此被廣泛運(yùn)用到工程項(xiàng)目的通風(fēng)系統(tǒng)中。離心通風(fēng)機(jī)的工作過(guò)程如下：葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片流道空間的氣流隨葉片旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而獲得動(dòng)能。氣流在離心力作用下經(jīng)葉端被高速拋出，甩入螺旋狀機(jī)殼。機(jī)殼橫截面面積沿螺旋線方向緩慢增大，因此氣流速度逐漸減小，動(dòng)壓被有效地轉(zhuǎn)化為出口靜壓。與此同時(shí)，葉根處形成低壓區(qū)，壓差驅(qū)使外界空氣經(jīng)集流器流入葉輪，補(bǔ)充先前被抽走的空氣，至此形成連續(xù)流動(dòng)。

2.離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能驗(yàn)證

離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能參數(shù)主要有流量、全壓、靜壓、效率（葉輪效率）等。能量從電機(jī)傳遞到軸，然后再傳遞到葉輪上，葉輪效率計(jì)算式為，（M為葉輪克服氣流作用的力矩大小，ω為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，P0為風(fēng)機(jī)出口平面按流量平均的全壓大小，Q為氣流入口體積流量，由于壓強(qiáng)變化不大，因此也可以看作出口體積流量）。全壓為靜壓與動(dòng)壓之和，表征了氣流出口的有效總能量，可以克服下游的風(fēng)道阻力，因此本文著重考察風(fēng)機(jī)的（全壓）葉輪效率。計(jì)算中控制離心通風(fēng)機(jī)出口流量16670m3/h不變，設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)1700rmp，出口平面按流量平均得到的靜壓為1045.3Pa，全壓1189.6Pa，此時(shí)的葉輪全壓效率為64.11%。集流器與葉輪之間存在間隙，流經(jīng)葉輪后的部分氣流從蝸殼內(nèi)的空間通過(guò)間隙再次進(jìn)入葉輪形成循環(huán)流動(dòng)，這將消耗部分葉輪所做的功，利用進(jìn)出口氣流總焓差再與葉輪所做的功作差即可得到，大約為1.56%。全壓損失最大的區(qū)域出現(xiàn)在葉輪和蝸殼內(nèi)，也是最有可能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)的部分。出口延伸區(qū)域有較大的回流，但氣流流速不高，損失較小，約1.33%。綜上，該型號(hào)的離心通風(fēng)機(jī)在1700rp轉(zhuǎn)數(shù)條件下能達(dá)到額定的靜壓和全壓；風(fēng)機(jī)入口處的輪軸盡管較大，但對(duì)性能影響較??；同時(shí)須看到風(fēng)機(jī)效率大約為64%，大量的耗散損失發(fā)生在葉輪和蝸殼處，因此可對(duì)這兩部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

3.葉輪受力分析

對(duì)于單吸式離心通風(fēng)機(jī)，通常葉輪輪蓋和輪盤兩側(cè)存在壓力差，由此產(chǎn)生較大的軸向推力。過(guò)大的軸向推力會(huì)增加主軸承的軸向負(fù)荷，使得主軸容易產(chǎn)生額外的溫升和金屬疲勞，從而降低軸承的使用壽命。而雙側(cè)進(jìn)氣離心風(fēng)機(jī)，對(duì)稱性較好，葉輪兩側(cè)的軸向受力更加均衡，安全性也較高。從對(duì)離心風(fēng)機(jī)的定常計(jì)算結(jié)果中將氣流對(duì)葉輪的面載荷積分得到合力和合力矩，可以得出整體合力數(shù)值較小，特別是軸向平衡較好。反力矩的大小隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增大而增大。

4.氣動(dòng)噪聲大小及聲源位置的結(jié)果

本文考察了該離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲情況，計(jì)算了距風(fēng)機(jī)一米處軸向位置的噪聲值。隨轉(zhuǎn)數(shù)增加噪聲值增大，噪聲大小基本處在70～74分貝的范圍內(nèi)。利用《工業(yè)通風(fēng)機(jī)噪聲限值》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。依據(jù)其中所提供的比A聲級(jí)計(jì)算公式LSA=LA-10lg（Qp02 ）+19.8得到3種情況下LSA依次為26.75dB，26.13dB，24.92dB。觀測(cè)點(diǎn)與葉輪中心連線和轉(zhuǎn)軸平面的夾角為Theta，得出距離1m處不同Theta角的觀測(cè)點(diǎn)噪聲，發(fā)現(xiàn)與轉(zhuǎn)軸垂直方向上噪聲最小，水平方向上最大。

5.葉輪振動(dòng)振型計(jì)算結(jié)果

對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)分析，并采用LANCZOS法提取模態(tài)，得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的前10階自振頻率和前6階模態(tài)振型。由于在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子有限元模型中，未施加約束轉(zhuǎn)子繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此轉(zhuǎn)子一階振動(dòng)頻率接近于零，轉(zhuǎn)子的一階模態(tài)為繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。二階模態(tài)的振動(dòng)頻率為154.558Hz，即轉(zhuǎn)子的共振頻率，轉(zhuǎn)子的共振頻率較高，遠(yuǎn)離電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子與電機(jī)的共振現(xiàn)象。進(jìn)一步對(duì)風(fēng)機(jī)整體模型進(jìn)行模態(tài)分析，采用LANCZOS法提取模態(tài)，得到風(fēng)機(jī)的前10階自振頻率和前10階模態(tài)振型。離心通風(fēng)機(jī)的一階振動(dòng)頻率為52.897Hz，風(fēng)機(jī)底座及蝸殼具有較高的剛度，且與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率錯(cuò)開(kāi)，當(dāng)風(fēng)機(jī)底座與基礎(chǔ)連接牢固時(shí)，不會(huì)發(fā)生風(fēng)機(jī)與電機(jī)的共振現(xiàn)象。

6.對(duì)通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)改型的建議

通過(guò)分析可以得出若要提高通風(fēng)機(jī)的效率，則需要抑制葉輪內(nèi)部的分離，使得葉輪出口面上低總壓區(qū)的能量足夠高。要抑制分離有3個(gè)方法：方法一是在葉間通道內(nèi)加入短葉片，強(qiáng)制引導(dǎo)流體通過(guò)。但是該方法實(shí)行起來(lái)并不容易，包括短葉片取多長(zhǎng)，加在壓力面與吸力面之間的什么位置，角度如何選取等；方法二是改變?nèi)~片與輪盤和輪蓋的夾角，有資料表明葉片吸力面與輪盤夾銳角，輪蓋夾鈍角能有效改善后向通風(fēng)機(jī)的效率，但本文未作嘗試，考慮到空間曲面的葉片設(shè)計(jì)加工困難；方法三是通過(guò)縮小葉間通道的流道來(lái)加速流體，增強(qiáng)其對(duì)抗反壓的能力，本文采用了這種方法，具體做法是縮小葉輪的出口寬度。

結(jié)論

通過(guò)采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)4-75x2NO.6核級(jí)離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)性能及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，同時(shí)對(duì)離心通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的特殊流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明并提出了改進(jìn)的一些建議。

參考文獻(xiàn)

[1]毛義軍，湯宏濤.雙吸離心通風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值研究[J].流體機(jī)械，2013（11）：37-42.