设计工况下风机速度场分析

.1.2 设计工况下风机速度场分析
图 4-4 给出了风机子午面上的速度分布。从图中可看出，各级叶轮内部气体流动速度大致相同，在流入叶轮前，气体速度处于较低水平，进入叶轮后气体不断被加速，在叶轮区域，速度的变化梯度最大，并在叶轮出口处达到最大值。在叶轮轮盖与机壳之间区域的气体速度比对应的叶轮内的气体速度低，且在该区域底部为气体的低速区域。当气体经过导风盘速度下降较快，流到蜗壳处时，速度随气体在蜗壳内部位置的不同而变化，如图 b 所示，在 X=0 平面的蜗壳小端截面上，靠近叶轮出口侧的气体速度低，甚至发生回流，而在另一侧气体速度相对较高，流动顺畅；在蜗壳大端截面上，由于通往蜗壳的流道与叶轮区域气体的流动方向相差 90°，导致气体在该处速度急剧下降，形成了漩涡，从而使动能损失增大，降低了风机的效率，同时也增大了噪声。
图 4-5 给出了各级叶轮截面的速度分布。此截面中间区域即为叶轮所在区域。由图可见，无论哪一级叶轮内部，流体速度都是从叶轮进口处逐步增大，在叶轮出口处达到最大值，且速度变化梯度较均匀。在两叶片间的流道中，速度分布呈 W 型，即靠近两叶片的部分区域和中间区域的速度相对较低，其他区域相对较高，而且靠近叶片压力面的流体速度总比靠近另一叶片吸力面的速度高，但在叶轮出口处，速度的最大值出现在靠近吸入面的一侧。由于此蜗壳的最小端和最大端不相通，即不存在蜗舍，受此影响在第 3 级叶轮的出口流道处，有部分区域内的气体速度相对较低，严重影响气体流动的顺畅性，同时在对应的叶轮内部，压力面侧的部分气体速度比其他区域高出许多，如图(e)、(f)所示。
在风机的入口管道内，由于压差的存在，气体径直流向叶轮进口，在叶轮进口处，大部分气体从叶轮通道的中间区域径向进入叶轮流道，导致中间通道的气体切向流速低，两侧的流速高，但此处气体的径向速度最大，进入叶轮后，由于叶轮的旋转运动，气体的运动方向发生巨大变化，运动速度产生切向分速度，且靠近压力面侧的气体切向速度小，径向速度大，而靠近吸力面侧的气体则是切向速度大，径向速度小。这种现象发生在整个叶轮区域。如图 4-6(a)所示。第二级叶轮内部流动情况类似。第三级叶轮进口处的流动情况与前两级差别较大，如图 4-6(b)所示，进入叶轮前，气体的流动速度存在显著差异，同时由于第三级存在大面积的低速区域，其对应的叶道内的气体出现倒流，从叶轮进口流出，再流入其他流道，在这些出现倒流的叶道中，压力面的速度较大，且径向分速度方向指向叶轮进口，整个流道气体的流动轨迹成凹形，而在其他叶道中，气体流动轨迹成凸形。
蜗壳截面的速度矢量图如图 4-7 所示，从图中可看出，气体在该蜗壳内流动很不顺畅，产生了多处的漩涡。分析发现发生这种现象的主要原因为:（1）风机管道出口大小的限制。由于风机出口段通道仅为 8mm 的圆环，气体来不及流出，在管道内堆积，形成大大小小的漩涡及回流；（2）蜗壳形状，即蜗壳小端与蜗壳出口的通道被壁面所挡， 由于气体运动惯性，此壁面的存在将使气体在蜗壳内绕流时在小端区域形成大面积低速区，该区域气流不足，压力降低，这时蜗壳内部其他区域的气体将通过逆流来进行补充，因而形成了较大区域的漩涡和回流。这种现象将导致风机效率的严重降低，并造成较强的运行噪声。说明此蜗壳的结构有待改进。 (36wan)