大型高效離心通風機支撐管優(yōu)化設計

（重慶通用工業(yè)（集團）有限責任公司）

0 引言

離心通風機的應用非常廣泛，幾乎涉及國民經濟的所有領域，也是國民經濟中主要的耗能設備。在國家節(jié)能減排的大背景下，對在部分行業(yè)運行的風機實際效率進行分析和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其運行效率盡管存在差異，但總體上比較低，節(jié)能空間很大[1]。因此，研究和改造離心式風機，提高其工作效率，對能源節(jié)約和有效配置有著非常重要的意義[2]。

目前行業(yè)中針對提高離心通風機效率，在通過機殼和葉輪上進行改進獲得成功方面已有諸多研究成果[3-5]。而對蝸殼內部流場的研究主要集中在三方面：一是優(yōu)化蝸舌的型式，通過蝸舌的形狀及蝸舌到葉輪的間隙來研究蝸舌對風機性能的影響[6]；二是優(yōu)化蝸殼型線，用改變蝸殼螺旋線的方式提高風機性能[7-10]；三是優(yōu)化蝸殼的寬度，采用改變蝸殼橫截面積的方法提高風機性能[11-12]。

受運輸和安裝的限制，大型風機機殼在制造時進行剖分，同時在蝸殼內增設支撐管以增加剖分后機殼的剛度，防止變形，這是保障風機安全運行的途徑之一。由于支撐管位于氣流必經之路，對蝸殼內部流場影響很大，會增加蝸殼內部的全壓損失，進而降低離心通風機的整機性能。

本文主要研究大型離心通風機支撐管結構對風機性能的影響，尋求其安全運行與提升整機效率之間的平衡。利用行業(yè)中常用的數(shù)值模擬[13-15]手段，優(yōu)化風機蝸殼中支撐管的直徑、數(shù)量和布置位置，以改善離心通風機的內部流場，在保證風機運行安全的前提下，盡量降低風機蝸殼內部全壓損失，進而提高風機整機效率。

1 研究方法

先進行三維建模，本文研究的某大型高效離心通風機的整機三維模型如圖1所示。

圖1 某大型高效離心通風機三維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D model of a large scale high efficient centrifugal fan

1.1 數(shù)值模擬

1.1.1 生成網格

根據(jù)風機模型進行網格劃分，風機網格分為進氣箱、葉輪、密封間隙以及蝸殼幾個部分。固體壁面設置10 層邊界層，對于密封間隙等結構較小的區(qū)域進行網格加密處理，整機網格數(shù)量為3200萬。

1.1.2 邊界條件

風機的邊界條件，進口設置為總溫總壓，出口設置為質量流量，湍流模型為SST；壁面采用無滑移條件。旋轉區(qū)域采用旋轉坐標系；動靜交界面進行靜止區(qū)域與旋轉區(qū)域的耦合計算。本文研究的風機邊界條件如表1所示。

表1 風機的邊界條件Tab.1 Fan boundary conditions

1.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是為計算在運行過程中各部件的固有頻率，以確保固有頻率與工作頻率間留有足夠的隔離裕度。本文進行模態(tài)分析的部件是風機機殼，在進行分析時，要求機殼前六階的固有頻率落在風機工作頻率的0.7～1.2倍之外的安全區(qū)域里。

2 優(yōu)化支撐管前風機性能對比

2.1 無支撐管風機

按圖1 所示模型進行數(shù)值模擬計算，截取1/3 葉高截面的速度矢量分布與壓力分布圖進行比較，發(fā)現(xiàn)流場中沒有出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 無支撐管風機1/3葉高截面流場示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow field of 1/3 blade high section without supporting tube fan

由此證明，該風機在氣動設計上已經達到比較理想的狀態(tài)。氣動分析的最終結果，如表2所示。

表2 無支撐管風機氣動分析結果Tab.2 Aerodynamic analysis results of fan without supporting tube

沒有支撐管時風機整機效率達到79.12%，滿足設計要求。為驗證該風機運行的安全性，當在對風機機殼進行模態(tài)分析時發(fā)現(xiàn)機殼的一、二階固有頻率在0.7～1.2倍工作頻率之內，如表3所示。

表3 無支撐管風機機殼固有頻率/HzTab.3 Inherent frequency of fan volute without supporting tube/Hz

由于風機機殼的工作頻率與固有頻率間沒有足夠的隔離裕度，在運行過程中存在共振風險，應增加機殼剛度來滿足安全運行的設計要求。

2.2 支撐管原始布置風機

為滿足風機安全運行要求，最經濟有效的方式是蝸殼內增加支撐管。傳統(tǒng)設計方法中為防止機殼自身的變形，會在蝸殼內布置6 根直徑為108mm 的支撐管，如圖3所示。

圖3 支撐管原始布置風機三維模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of 3D model of fan with original arrangement of supporting tube

對該風機機殼進行模態(tài)分析，結果顯示機殼前六階固有頻率都在設計要求的安全區(qū)域，保證風機可以安全運行，如表4所示。

表4 支撐管原始布置風機機殼固有頻率/HzTab.4 Inherent frequency of fan volute with original arrangement of supporting tube

由于支撐管在蝸殼內部，必然會對蝸殼內流場造成不利影響，對帶有原始布置支持管的風機進行數(shù)值模擬計算，如圖4所示。

圖4 支撐管原始布置風機1/3葉高截面流場示意圖Fig.4 Schematic diagram of fan flow field of 1/3 blade high section of supporting tube

從圖4中可以看出，支撐管位置有旋渦和低速區(qū)出現(xiàn)，流場不再均勻。支撐管原始布置風機氣動分析的最終結果如表5所示。

表5 支撐管原始布置風機氣動分析結果Tab.5 Results of aerodynamic analysis of fan with original arrangement of supporting tube

從表5 中可以看出，增加支撐管后，整機效率下降近6個百分點，且不再滿足設計要求。

綜上所述，該風機無支撐管時，盡管性能滿足設計要求，但機殼剛度不達標；而有支撐管時，盡管機殼剛度達標，但風機性能卻不滿足設計要求。因此，對提高剛性所需要的支撐管進行優(yōu)化，以便在滿足安全運行要求的同時改善風機的性能。

3 支撐管布局優(yōu)化

對支撐管布局進行優(yōu)化，以滿足風機安全運行為前提，采用遞進方式從不同支撐管直徑、數(shù)量、布置位置三個方面的機殼模態(tài)及風機氣動性能進行數(shù)值模擬。要求每次優(yōu)化風機的效率提升0.5%以上。

3.1 優(yōu)化支撐管直徑

支撐管為無縫鋼管，優(yōu)化支撐管直徑主要是減小其直徑。按遞減的方式選擇直徑小于108mm的若干個無縫鋼管建立模型，并進行模態(tài)分析，結果如表6所示：

表6 不同支撐管直徑風機機殼固有頻率Tab.6 Inherent frequency of fan volute with different supporting tube diameters

當支撐管直徑減小到60mm時，機殼的一階固有頻率是工作頻率的1.14倍，達不到安全隔離裕度要求，因此，確定支撐管直徑為83mm。對支撐管直徑為83mm的模型進行數(shù)值模擬，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化支撐管直徑風機1/3葉高截面流場示意圖Fig.5 Fan flow field diagram of 1/3 blade high section with optimized supporting tube diameter

與優(yōu)化前相比，風機蝸殼內支撐管位置的流場同樣有旋渦與低速區(qū)出現(xiàn)，氣動分析的最終結果如表7所示。

表7 優(yōu)化支撐管直徑風機氣動分析結果Tab.7 Fan aerodynamic analysis with supporting tube diameter

表7 中顯示，優(yōu)化支撐管直徑后，風機的全壓有所升高，蝸殼內的全壓損失降低，整機效率增加了1.76%，滿足優(yōu)化要求。

3.2 優(yōu)化支撐管數(shù)量

優(yōu)化支撐管數(shù)量是在優(yōu)化支撐管直徑的基礎上進行的，主要是要減少支撐管數(shù)量。從機殼出口開始，采取按間隔取消支撐管的方式，然后分別進行建模計算，其模態(tài)分析結果如表8所示。

表8 優(yōu)化支撐管數(shù)量風機機殼固有頻率Tab.8 The inherent frequency of the fan volute with optimized number of supporting tube

當支撐管數(shù)量減少到3 根時，機殼的一、二階固有頻率都達不到安全隔離裕度的要求。因此，確定支撐管數(shù)量為4 根。然后將4 根支撐管的模型進行數(shù)值模擬，其風機流場情況如圖6所示。

圖6 優(yōu)化支撐管數(shù)量風機1/3葉高截面流場示意圖Fig.6 Fan flow field diagram of 1/3 blade high section with optimized number of supporting tube

與優(yōu)化支撐管直徑的流場相比，發(fā)現(xiàn)流場不均的區(qū)域減少，其氣動分析的最終結果如表9所示。

表9 優(yōu)化支撐管數(shù)量氣動分析結果Tab.9 The results of aerodynamic analysis after optimizing the number after optimizing support pipes

從表9 中可以看出，支撐管數(shù)量減少后，風機整機效率進一步提高0.67%，也滿足優(yōu)化要求。

3.3 優(yōu)化支撐管布置位置

優(yōu)化支撐管布置位置是在優(yōu)化支撐管數(shù)量的基礎上進行的進一步的優(yōu)化。由于蝸殼是螺旋形，所以，葉輪出口到蝸殼板間的截面面積不相同，每個截面上的流動情況也不一樣。優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，支撐管離葉輪出口越遠，對蝸殼內部流場的影響越小。但是，因蝸殼自身的變形原因，不允許讓支撐管無限制地遠離葉輪。

如圖7所示，區(qū)域1是葉輪組所在區(qū)；區(qū)域2緊臨葉輪出口或上部，安裝支撐管危險大；區(qū)域4 接近蝸殼邊緣，安裝支撐管不能有效控制蝸殼的變形。因此，只能將支撐管布置在區(qū)域3中。經過模態(tài)分析看，只要4根支撐管較為均布地布置在區(qū)域3中，那么機殼固有頻率都會在風機安全運行的區(qū)域內。又因要提高風機性能，要求支撐管盡可能遠離葉輪組。綜合考慮，最終確定支撐管避開剖分位后較為均勻地布置在區(qū)域3 的外邊緣，如圖8所示。

圖7 支撐管安裝區(qū)域劃分示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation area of supporting tube

圖8 優(yōu)化支撐管布置位置風機三維模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of fan 3D model of supporting tube optimization layout

優(yōu)化后風機的流場情況如圖9所示。

圖9 優(yōu)化支撐管布置位置風機1/3葉高截面流場示意圖Fig.9 Schematic diagram of fan flow field at 1/3 blade height section of optimized placement of supporting tube

與優(yōu)化支撐管數(shù)量時的流場相比，風機蝸殼內部出現(xiàn)氣流不均的位置隨支撐管位置變化而變化，氣動分析的最終結果如表10所示。

表10 優(yōu)化支撐管布置位置風機氣動分析結果Tab.10 Optimization of fan aerodynamic analysis results after optimizing supporting tube placement

從表10 中可以看出，該風機在進一步優(yōu)化支撐管布置位置后，風機效率又增加了1.12%，滿足優(yōu)化要求，達到了76.84%，滿足設計要求。將此時的風機機殼進行了模態(tài)分析，結果如表11所示。

表11 優(yōu)化支撐管布置位置風機機殼固有頻率/HzTab.11 Fan volute inherent frequency after optimizing the position of the supporting tube/Hz

風機機殼工作頻率與前六階的固有頻率之間留有足夠的隔離裕度，不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，滿足設計要求，機殼的運行安全能夠得到保證。

4 結論

1）支撐管影響風機機殼的固有頻率，從而影響風機的運行安全；

2）只要有支撐管存在，都會使風機全壓降低，風機蝸殼內全壓力損失增加，風機整機效率降低；

3）支撐管的直徑、數(shù)量和布置位置都對風機的整機性能有影響；

4）本文所研究的大型高效離心通風機，在保證安全運行的前提下，經支撐管優(yōu)化，風機全壓升提升148Pa，蝸殼內全壓損失降低67Pa，風機整機效率提升3.55%。