不同前盘结构形式多翼离心风机性能对比研究(1)

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叶轮是离心通石家庄市风机厂的做功部件，叶轮性能是影响石家庄市风机厂气动性能最主要的因素，因而对其进行深入研究具有重要意义。本文通过回顾以往多翼离心石家庄市风机厂的研究，并对多翼离心石家庄市风机厂内流展开讨论，提出对原型石家庄市风机厂的改进方案。主要目标是改善进口附近内流情况，以达到提高原型石家庄市风机厂的压力（全压和静压）的目的。提出以下４种方案：前盖板封闭度分别为３０％、６０％、１００％，以及叶轮采用锥形前盘方案。数值结果显示：改变前盖板封闭度能够影响石家庄市风机厂性能，在设计工况下，前盖板封闭度为６０％时石家庄市风机厂静压和全压都为最大；在蜗壳结构不变的情况下，采用锥形叶轮并不能达到提高压力和效率的效果，在大流量下，采用锥形叶轮石家庄市风机厂的压力和效率反而会降低。
回顾以往多翼离心石家庄市风机厂内流及性能改进的研究，主要集中在３个方面：（１）进口流场的均匀性影响因素分析及改进方法研究；（２）叶轮流道内流场均匀性研究，叶轮轴向做功负荷研究，叶轮外缘射流－尾迹影响因素研究；（３）蜗壳周向壁面附近及蜗舌处内流场研究，蜗壳出口扩压段流场研究。本文讨论的重点是通过改进进口流场来提高整机性能。之前研究者对于进口流场的研究主要集中在集流器形式及安装位置对进口流场影响，轴向间隙的取值对整机性能的影响，增加防涡圈对石家庄市风机厂内流的改善。多翼离心石家庄市风机厂前盘结构形式对整机性能影响的文献比较少。本文对原型多翼离心石家庄市风机厂进行整机三维流场数值计算和流场分析，在此基础上提出４种前盘结构改进方案。通过对比４种方案的全流量性能曲线，找出了前盖板封闭度及锥形前盘对整机性能影响的一般规律。
2研究对象叶轮外径D２＝７０ｍｍ，叶轮内径D１＝５３ｍｍ，叶轮进口安装角β１A＝５３°，叶轮出口安装角β２A＝１４３°，叶片高度b＝１５ｍｍ，叶片数z＝４５，叶片厚度σ＝０．８ｍｍ；本文原型石家庄市风机厂设计工况为：全压P＝１７０Ｐａ（静压１２０Ｐａ），流量Q＝１７ｍ３／ｈ，转速n＝４５００ｒ／ｍｉｎ。原型机叶轮用ＰＲＯ／Ｅ建模，叶轮及尺寸如图１所示。原始石家庄市风机厂设计叶轮只有后盘，不带前盘，只是依靠叶轮出风口侧的端面外径处的圈围结构进行加固。上蜗壳用ＰＲＯ／Ｅ建模效果如图２（ａ）所示，其顶端壁面厚度为２ｍｍ，进口处未进行倒圆角处理。下蜗壳建模效果如图２（ｂ）所示，内部中间阶梯型凸起的作用是装配轴承并定位叶轮安装高度（叶轮后盖板外壁面到蜗壳内壁面的距离为１ｍｍ），保证转动同心度；底面下凹部分和两个圆柱凸起是装配和定位电路板，保证电机正常运转。蜗壳与设计叶轮的装配如图３所示。以原型石家庄市风机厂数值模拟为例，本文在计算原型石家庄市风机厂进口及出口时各加延长段，进口延长段为一倍的进口直径，出口延长段为４倍的出口当量直径。计算域包括原型石家庄市风机厂和两段延长段。计算域分为旋转流体区，非旋转流体区两种，两者之间的耦合用移动参考坐标系ＭＲＦ模型。
图４为数值模拟计算域示意。附加进口延长段及出口延长段的目的是使进入和流出石家庄市风机厂的气流充分发展，从而保证边界条件有更好的精度，达到精确模拟并反应石家庄市风机厂内流的目的。考虑到就进口吸气气体流动相对比较均匀，所以进口延长段的长度定为一倍的进口直径；气体出流对主流的影响比较大，充分发展需要更长的距离，所以出口延长段的长度为出口水力直径的４倍。在划分网格时本文也采取分段划分，这样有利于灵活处理网格疏密程度：在叶轮旋转区，流动比较复杂，采取最大网格为２，网格相对密集；在进口加长段，流动平稳，采取最大网格为４，网格相对稀疏。这样既可以保证计算精度和捕捉流动细节又减小了计算量。
３．３边界条件和计算方法原型石家庄市风机厂主要的边界条件有：进口边界条件（给定速度，工况不同给定值则不同，体积流量分为26.2、23.1、21.5、19.0、17.0、15.5、13.8、10.9、6.8、2.1m3/h共10组），出口边界条件（给定压力值为一个大气压），动态固壁（给定转速为4500ｒ／ｍｉｎ），动静交接面（共５对）。计算方法采用压力基隐式求解，湍流模型采用标准ｋ－ε模型，壁面附近流动处理选用标准壁面函数法，工作环境不考虑重力的影响，压力－速度耦合选用ＳＩＭＰＬＥ方法，压力修正方程采用standard方式，动量方程，湍动能方程，耗散率方程的空间离散格式均选用二阶迎风格式。初始化采用全场给０初始化，残差监控中continuity,x-velocity,y-velocity,k,epsilon的残差收敛标准均设定为10。