大间隙无叶风扇设计与数值研究

    由第3章可知风机降转速可以达到降噪的效果。为了使风机转速下降,一种方法是利用第3章设置两级风机的做法,通过降低单级风机负荷来达到降转速的目的,这是一种治标的方法;要想从根本上解决问题,则需要降低无叶风扇的出风阻力,使风机在低转速下即可达到所需全压。由图2.11知,无叶风扇出风口是主要的阻力源,降低无叶风扇出风口阻力最简单的方法就是增大出风口间隙。因此,本章旨在设计一种区别于第4章的大间隙出风无叶风扇。

5.1大间隙无叶风扇流场分析

现有专利(包括第4章设计的模型)中无叶风扇的出风口间隙均较小,专利[6]出风口间隙被选择在1 mm到5 mm的范围内,在具体实施中,间隙设定为1.3 nim,这将会带来较大的压阻。本章旨在设计一种大间隙出风的无叶成扇,内表面依然采用收缩型,图5.1为大间隙无叶风扇结构示意图,其出风口处直径为300mm,出风口间隙为5.5 mm,无叶风扇宽度为95 mm。性能指标依然为距风扇出风口前1 m处最大风速大于2.8 m/s, 4 m处最大风速大于0.8 ni/s。

设定速度进口,进口流量固定为0.0475 m3/s,图5.2为收缩角0=25°的无叶风扇模型Y=0截面速度云图,由图可以看出大间隙无叶风扇前方出风没有形成稳定的主风区,并且出风明显上偏。同时,由于出风发散,出风口射出的气体对无叶风扇周围空气带动很小,计算结果表明4m处总风量仅为0.827 mVs?图5.3为X=lm截面处速度云图,由图可以看出速度分布明显不均,主风区没有形成理想的圆形状,而是呈条形状,这是因为无叶风扇出风口上方射流速度较下方大很多,这由图5.2可以明显看出,另外射流气体对周围空气带动作用有限,且流动不稳定,Im处最大风速只有2.2m/s,不满足设计要求。由此可见在大间隙下如果不加其他设置,无叶风扇将无法正常工作。图5.4为无叶风扇上下两侧出风口流线图,由图可以看出风扇出风口上侧射流气体紧贴收缩壁面流动,而下侧因为紧邻无叶风扇入口,冲击损失大,出风口收缩区速度大,但气流主要向两侧分散,下侧出风口出风量较小间隙时明显减少,分散的气流向上流动又导致上侧出风增大,从而造成上下出风明显不对称。另外由于无叶风扇腔体内的气体除了向外喷射外,还有内部的环形流动,是明显的三维流动,在大间隙下不容易形成稳定的低瑞流喷射效果,图5.5为Z=0截面的速度云图,由图可以看出流场很不稳定。

5.2格栅对大间隙无叶风扇性能的影响

为了增强大间隙无叶风扇出口的射流效果,并阻止出风口收缩区内气体的环向流动,本文采用设置出口格栅的方法对大间隙无叶风扇模型进行改进,改进模型如图5.6,格栅宽度为1.5mni。同时为了研究格栅分布密度对无叶风扇出风效果的影响,本章设计了 4种叶栅密度,设定叶栅间夹角分别为15°、12°、图5.7为无叶风扇压阻和格栅密度的关系图,由图可以看出,增加格栅后阻力有所提高,但随着格栅数量增多,阻力呈现下降趋稳的趋势,这主要是格

栅增加了射流的稳定性,减小了无叶风扇出口区域紊流损失,这一点也可以从后面设置格栅后的无叶风扇速度云图上可以看出。图5.8为四种模型出风口前Im处截面的速度云图,由图可以看出,增加格栅后,Im处截面速度分布有了明显改善,并且随着格栅密度的增加,速度 _分布变得愈加均匀,这主要石家庄市风机厂是由于增加格栅后,无叶风扇出口收缩区的环向流动被限制,无叶风扇出口速度沿环向分布更加均勻,图5/)和图5.10为格栅夹角为9°时Y=()和Z=0处截面速度云图,与图5.2和图5.5对比可以看出,无叶风扇下侧出风明显增加,上下出风均匀,出风效果有了显著改善,在风扇前方形成了稳定的速度场,4m处总风量为1.11 111、,较无格栅时风量增大34.6%。

鉴于格栅的优势,本章对第2章的小间隙无叶风扇进行了改进,同样在出口设置格栅,格栅夹角为15°,图5.1】为改进后的无叶风扇前Im处截面速度云图,对比图4.8,设置格栅后的小间隙无叶风扇Im前出风效果有了很大改善,因此在小间隙下可以釆用少量的格栅使无叶风扇出风更加均匀。表5.1为有无格栅小间隙无叶风扇性能数据对比,由表可以看出,有格栅时,无叶风扇前Im处最大风速大幅增加,而截面风量却明显减小,这说明格栅的增加使无叶风扇出风更集中,对无叶风扇近场流体带动作用减弱;而两种模型在X=4m处性能参数则接近,说明有格栅时主气流对远场的空气带动较无格栅时大。

5.3收缩角对大间隙无叶风扇性能的影响

为了研究大间隙下收缩角对无叶风扇出风效果的影响,在其他结构参数不变,同时保持格栅夹角9°,本节又设计了 6种角度,分别为5°、10°、15°、20°、30。、 35。。图5.12为不同收缩角下Y=0截面速度云图,由图可以看出,收缩角小于20°时,无叶风扇上侧出风强,收缩角大于20°时无叶风扇下侧出风强,收缩角等于20°时,无叶风扇上下出风对称。收缩角对无叶风扇出风口速度分布影响较大,事实上,小间隙无叶风扇也存在同样的问题,只是没有大间隙无叶风扇效果明显。

图5.13为无叶风扇Im前最大速度随收缩角的变化图,总体上看无叶风扇收缩角大时聚风效果好,Im处最大速度较收缩角小时大,但风向偏离正中方向将会影响无叶风扇的吱风性能,因此在确定角度时还应考虑收缩角对出风方向的影响,因此本节选择收缩角为20°的无叶风扇模型为最终大间隙无叶风扇模型。

 

图5.14为最终模型在截面X=l,2, 3,4m处主风区速度云图,由图可以看出,各截面速度分布都很均匀,ic解密可以达到很好的受风效果。图5.15为最大风速和主风区面积随截面距风扇间距X的变化图,由图可以看出随X的增大,各截面最大速度逐渐减小,并且X小时,截面速度梯度较大,气流枯性较大,导致速度减小幅度较大;另外由计算结果可知无叶风扇前1 m处最大风速为3.53m/s, 4 m处最大风速为0.87m/s,满足设计要求。

图5.16为最终模型风扇前1 m和4 m处最大风速随风扇入口流量的变化情况,由图可以看出,随流量增大,Im处和4 m处最大风速线性增加.当进口流量为0.0475 m3/s时,1 m处最大风速vi为3.53 ni/s,4 m处最大风速、?为0.87m/s,满足性能要求,无叶风扇压阻为191 Pa,以此作为其内置风机的设计依据。