進(jìn)氣箱對離心風(fēng)機(jī)性能影響的研究

邵國建 陳 幫 謝云川

（1.河海大學(xué)；2.浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司）

0 引言

進(jìn)氣箱是離心風(fēng)機(jī)重要的組成部分，主要應(yīng)用于大型離心風(fēng)機(jī)與雙吸離心風(fēng)機(jī)。進(jìn)氣箱在其出口處氣體發(fā)生近90°轉(zhuǎn)彎，內(nèi)部流場十分復(fù)雜，并造成很大的流動損失[1]。其出口速度的不均勻性對風(fēng)機(jī)性能影響明顯，有必要對其特性進(jìn)行研究。

A.G.Sheard[2]通過研究加進(jìn)氣箱的通風(fēng)機(jī)，在葉輪進(jìn)口加導(dǎo)流板控制葉輪進(jìn)口的非均勻氣流，結(jié)果表明在葉輪進(jìn)口加導(dǎo)流板能夠提高風(fēng)機(jī)的全壓，并得出了葉片根部斷裂的原因。胡勝利等[3]首次使用三維粒子動態(tài)分析儀（3D-PDA）對大型風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱內(nèi)部三維氣體流場進(jìn)行測量，揭示了其內(nèi)部流動的基本特征，為了解進(jìn)氣箱流場結(jié)構(gòu)和流動機(jī)理提供了依據(jù)；李春曦等[4]以4-73No.8D離心風(fēng)機(jī)為研究對象，對比了適配進(jìn)氣箱的兩種不同導(dǎo)流器，并測試了噪聲；吳克啟等[5]提出了一種包含復(fù)雜形狀進(jìn)氣箱與旋轉(zhuǎn)葉輪一體的斜流風(fēng)機(jī)的算法，可以很好的揭示斜流風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動的特征；傅松[6]對電站鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)氣箱三維粘性流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了進(jìn)氣箱內(nèi)氣體流動特性的影響，并對進(jìn)氣箱的設(shè)計(jì)和改造提出了建議；Li Jingyin[7]對有無進(jìn)氣箱的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值分析，并著重分析了進(jìn)氣箱內(nèi)部的流動對軸流風(fēng)機(jī)效率下降的影響。

本文基于CFX軟件，對有無進(jìn)氣箱兩種離心風(fēng)機(jī)，分別建立了數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，研究其內(nèi)部流場特性。并與實(shí)驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性。

1 模型建立及邊界條件

1.1 模型及網(wǎng)格劃分

本文采用一種特殊設(shè)計(jì)的進(jìn)氣箱，這種形式的進(jìn)氣箱削弱了氣流在90°轉(zhuǎn)彎過程中的能量損失，在轉(zhuǎn)彎處氣流更加的平穩(wěn)，加速過程更加的均勻。該進(jìn)氣箱進(jìn)口為矩形，出口為與集流器相連的圓形。通過solid works建立的兩種形式的三維模型如圖1，兩種模型除進(jìn)氣箱外其他尺寸相同。

圖1 有無進(jìn)氣箱的氣動三維模型Fig.1 The fan aerodynamic 3-D mode with and without inletbox

將上述模型導(dǎo)入ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分過程中對離心風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部位要進(jìn)行加密處理[8]，如葉輪、集流器、蝸舌、進(jìn)氣箱的轉(zhuǎn)角處等。對風(fēng)機(jī)的進(jìn)口與出口適當(dāng)延長，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性?？紤]到離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜且不規(guī)則性，本文采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其中無進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)量約370萬，網(wǎng)格質(zhì)量為0.3以上；帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)量為380萬，網(wǎng)格質(zhì)量為0.3以上。整體網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 離心風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Fan calculated grid mode

1.2 邊界條件設(shè)定

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-?模型，壁面函數(shù)為Scalable，數(shù)值計(jì)算方法為高階求解格式，求解格式為一階格式。由于通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，馬赫數(shù)小，可認(rèn)為氣流為不可壓縮定常流動。進(jìn)口給定質(zhì)量流量，出口給定靜壓,壁面條件為無滑移邊界，轉(zhuǎn)速為1480r/min，并將流動區(qū)域分為靜止域與旋轉(zhuǎn)域，兩者通過Interface連接，連接模型為普通連接，坐標(biāo)變換為凍結(jié)轉(zhuǎn)子算法，網(wǎng)格連接方式為GGI。

1.3 收斂的判定

判別是否收斂主要依據(jù)三個要素：殘差是否符合要求；所監(jiān)控的物理變量是否穩(wěn)定；進(jìn)出口質(zhì)量差是否達(dá)到0.5%以下[9]。

2 流場分析

本文所研究的某離心風(fēng)機(jī)葉輪有均布的16個前向的大小葉片，其內(nèi)部流場較為復(fù)雜，為了揭示風(fēng)機(jī)內(nèi)的流場特性，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行全三維數(shù)值模擬仿真。先單獨(dú)分析了進(jìn)氣箱內(nèi)部流場特性，然后對進(jìn)氣箱與風(fēng)機(jī)進(jìn)行一體化分析，研究進(jìn)氣箱對離心風(fēng)機(jī)性能的影響。

2.1 進(jìn)氣箱內(nèi)的流場分析

圖3為進(jìn)氣箱出口處（葉輪進(jìn)口處）水平橫向截面速度的矢量圖及云圖，從圖中可以看出，雖然其出口幾何結(jié)構(gòu)是對稱的，然而在出口處其流速為不均勻分布，靠進(jìn)氣方向處流速較高，被進(jìn)氣方向速度較低，氣流經(jīng)彎頭轉(zhuǎn)彎后，流速分布比較紊亂，從而使得進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪的流速不均勻，與文獻(xiàn)[10]的研究結(jié)果一致，這是導(dǎo)致離心風(fēng)機(jī)效率低的原因之一。

圖3 進(jìn)氣箱出口處流場及速度云圖Fig.3 Velocity vector and contour at outlet of inlet box

2.2 進(jìn)氣箱內(nèi)的流動損失

進(jìn)氣箱的流動損失可以通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，為理論研究提供參考，其大小為進(jìn)氣箱出口截面的動壓乘以損失系數(shù)。由于進(jìn)氣箱出口速度大致與葉輪的進(jìn)口速度一樣，所以其內(nèi)部的損失Δp可按下面公式[11]計(jì)算:

式中，γ為葉輪進(jìn)口處的流速；ρ為氣體密度；ξ為進(jìn)氣箱的損失系數(shù)，一般為0.1～0.4。

通過CFX后處理軟件可得出在不同工況下，進(jìn)氣箱進(jìn)出口全壓如表1，由表中數(shù)據(jù)可知，在不同工況下進(jìn)氣箱進(jìn)出口的壓差比較穩(wěn)定，進(jìn)出口壓力損失的平均值為135.92Pa，與文獻(xiàn)[12]中無論改造前還是改造后進(jìn)氣箱相比，其進(jìn)出口壓力損失都較低，說明該進(jìn)氣箱的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效的降低進(jìn)氣箱造成的壓力損失。

表1 不同工況下進(jìn)氣箱進(jìn)出口全壓Tab.1 The inlet and outlet total pressure of inlet box under different conditions

2.3 進(jìn)氣箱對離心風(fēng)機(jī)性能的影響

由圖4可知在進(jìn)氣箱出口與葉輪進(jìn)口處存在渦旋現(xiàn)象，研究中發(fā)現(xiàn)該渦旋與流量大小有關(guān)，在大流量區(qū)渦旋不明顯，且位于進(jìn)氣箱側(cè)的葉輪葉套的進(jìn)口處，隨著流量的減小，渦旋形狀更加的明顯，并向進(jìn)氣箱出口方向B側(cè)偏移。

圖4 帶進(jìn)氣箱離心風(fēng)機(jī)的軸向內(nèi)部流場圖Fig.4 The axial flow of centrifugal fan with inlet box

圖5(a)可以看出，原始風(fēng)機(jī)葉輪流道內(nèi)靠近出口處形成渦旋，主要原因是葉片出口附近存在較為嚴(yán)重的邊界層分離現(xiàn)象。葉片表面存在附面層，隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，吸力面和壓力面附面層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)是不同的。葉片吸力側(cè)形成的低能流積聚的“尾跡區(qū)”，形成“射流-尾流”結(jié)構(gòu)。圖（b）加進(jìn)氣箱后，風(fēng)機(jī)葉輪尾緣處的“尾跡-射流”更加的嚴(yán)重，風(fēng)機(jī)模型尾跡區(qū)占了比較大的空間，減少了風(fēng)機(jī)流道有效面積。在小流量區(qū)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場分布發(fā)生偏心現(xiàn)象(C處)，葉輪流道E側(cè)，氣體比較充實(shí)，葉輪流道F側(cè)氣體分布較差，與原始風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分布相比，其葉輪流道的充盈性差。

圖5 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場圖Fig.5 The inner flow field of centrifugal fan

離心風(fēng)機(jī)的效率曲線如圖6，無進(jìn)氣箱情況下在流量為2.82kg/s，壓力為3 106.23Pa時，達(dá)到最高效率68.64%；加進(jìn)氣箱后在流量為1.68kg/s，壓力為2775.54Pa，達(dá)到最高效率59.45%，通過與原始風(fēng)機(jī)對比可知，加進(jìn)氣箱后其最高效率降低8.19%。同樣由圖6效率曲線對比圖可知,加進(jìn)氣箱后風(fēng)機(jī)整體效率降低，與原始風(fēng)機(jī)相比其高效區(qū)域比較窄，縮短了工作區(qū)域，且加進(jìn)氣箱后最優(yōu)工況點(diǎn)向小流量區(qū)偏移。

圖6 有無進(jìn)氣箱效率曲線圖Fig.6 The efficiency curve with and without inlet box

加進(jìn)氣箱后，離心風(fēng)機(jī)的全開流量降低，與無進(jìn)氣箱相比，流量降低了16.9%。由圖7可知，加進(jìn)氣箱不僅降低了風(fēng)機(jī)的全開流量，其全壓也有所減少。

圖7 有無進(jìn)氣箱壓力曲線圖Fig.7 The pressure curve with and without inlet box

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)測與計(jì)算氣動性能對比分析

圖8 帶進(jìn)氣箱計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比曲線圖Fig.8 The comparison curve of numerical simulation and test result with inlet box

風(fēng)機(jī)性能測試采用C型試驗(yàn)裝置對帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了性能測試[13]，測試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 1236-2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)》執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比見圖8，由壓力曲線圖可知，在大流量區(qū)計(jì)算值比實(shí)測值偏高，小流量區(qū)計(jì)算值比實(shí)測值偏低，但是整體上計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合。由效率曲線圖可知，大流量區(qū)計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果偏高，小流量區(qū)計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果偏低，說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合。通過實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對比，CFX軟件的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致，由此驗(yàn)證了采用CFX軟件對帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬是可靠的。

3.2 試驗(yàn)噪聲分析

離心風(fēng)機(jī)的噪聲按照流體動力聲源的發(fā)聲機(jī)制，分為三類：1）單極子，2）偶極子，3)四極子，風(fēng)機(jī)正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲主要來源于偶極子源[14]。

根據(jù)GB/T2888-2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測量方法標(biāo)準(zhǔn)》對有無進(jìn)氣箱離心風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行測試。試驗(yàn)地點(diǎn)：浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司CNAS檢測中心；采用聲級計(jì)對風(fēng)機(jī)出口處的噪聲進(jìn)行測試，測試方式及儀器如圖9所示。測量時，除地面外無其他的反射條件，測點(diǎn)位置D距地面的高度與風(fēng)機(jī)出口中心持平，水平方向上與出氣口軸線成45°，距離出氣口中心L=1m。

圖9 試驗(yàn)噪聲測試方法Fig.9 The noise test method

離心風(fēng)機(jī)的噪聲曲線如圖10所示，在小流量區(qū)，帶進(jìn)氣箱的離心風(fēng)機(jī)噪聲低于不帶進(jìn)氣箱，隨著流量的增加，帶進(jìn)氣箱的風(fēng)機(jī)噪聲顯著提高，在大流量區(qū)，明顯的高于不帶進(jìn)氣箱的噪聲。

圖10 有無進(jìn)氣箱噪聲對比曲線圖Fig.10 The curve comparison of noise with and without inlet box

4 結(jié)論

1）離心風(fēng)機(jī)在進(jìn)氣箱出口與葉輪進(jìn)口處有渦旋產(chǎn)生，其位置與流量大小相關(guān)，渦旋的存在導(dǎo)致葉輪流道發(fā)生了堵塞，是離心風(fēng)機(jī)效率降低的原因之一。

2）加進(jìn)氣箱后，風(fēng)機(jī)葉輪尾緣的“尾跡-射流”現(xiàn)象更加的嚴(yán)重，且在小流量區(qū)風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場存在偏心現(xiàn)象。

3）加進(jìn)氣箱后離心風(fēng)機(jī)不僅效率有所降低，其全開流量與壓力與無進(jìn)氣箱相比也有所下降，加進(jìn)氣箱后離心風(fēng)機(jī)最優(yōu)工況點(diǎn)向小流量區(qū)偏移，進(jìn)氣箱內(nèi)部流場的復(fù)雜性以及出口速度的不均勻性對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場分布產(chǎn)生了影響。

4）相比于無進(jìn)氣箱的情況下，加進(jìn)氣箱后，風(fēng)機(jī)隨流量的增加，噪聲提升的更快，且在大流量區(qū)明顯高于不帶進(jìn)氣箱的噪聲。

5）與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果對比分析，結(jié)果表明采用數(shù)值模擬研究風(fēng)機(jī)性能是可行的。

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