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离心风机叶轮径向间隙对其泄漏及性能的影响研究

发表时间:2020-08-05 10:31:03

离心风机叶轮径向间隙对其泄漏及性能的影响研究


摘要: 基于离心式风机的间隙,首先研究了不同湍流模型对数值计算结果的影响,并将其与试验测量值进行对比,发现SST 模型与试验误差小于3%。接着利用该模型分别模拟了间隙为4、6 和8 mm 时,风机内部的流场特性,并对其进行了系统的分析。研究结果表明: 随着气体流量的增加,泄露量的增加量存在一个特定的拐点,拐点前泄露量的增幅缓慢,拐点后泄露量急剧增加; 径向间隙越大,相同流量下的泄漏量越大,但是拐点之前间隙大小对泄漏量的影响较小; 随着径向间隙的增大,泄漏增加的趋势越明显。此外,还验证了径向间隙只能调整风机的静压效率,而不能改变静压效率曲线趋势。


关键词: 离心式风机; 径向间隙; 泄漏量; 静压效率


一、前言

       为了保证高速离心式风机的可靠性,风机叶轮和集流器之间存在一定的间隙,且该间隙两侧的压力不同。进而,导致风机中的气体会从高压一侧进入低压的一端,但在此过程中通常伴随有因流动受阻而产生的损失,即为通常所说的容积损失,它将直接影响风机的性能,因而,径向间隙是轴流风机中非常重要的组成部分国内外众多学者已经对风机径向间隙的影响进行了许多有益的探索。Lin Sheam-Chyun 等对试验测量与数值模型计算结果进行对比,探索计算的数值模型,以及利用其他PIV 试验与CFD 数值计算相结合的方法研究风机出口处的流场。叶顶间隙对相邻流道有影响,在任意流量下当叶顶间隙足够大时,其影响可以扩大至整个流道区域。因而,通常研究者认为离心风机壁面与叶轮间的径向间隙越小越好,但由于制造工艺和加工成本的限制,间隙过小时加工的精度很难保证,且风机行业关于间隙部分并没有统一的标准,也没有对风机内部的流动进行系统的研究,因此通过CFD 数值模拟,对离心风机径向间隙变化所引起的不同流场进行研究,可以为离心风机的结构优化提供一个有效参考。针对这一系列问题,本文以某特定的离心风机为主要研究对象,采用k-ε 模型、k-ω 模型及SST 模型对叶轮不同径向间隙和工况下径向间隙间的流动进行数值分析,研究在不同径向间隙条件下,间隙泄漏量随着流量增加所产生的趋势,离心风机的优化提供依据。


二、试验方案

        风机空气动力试验按GB /T 1236—2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》标准进行; 采用进气试验法,试验装置为国家标准规定的C 型试验装置———管道进口、自由出口。


三、计算方法与网格划分

        试验所采用的叶轮为后向闭式离心叶轮,离心风机叶轮结构参数风机的整个计算域所建立的网格。介于结构网格相对非结构网格的优越性,此处均采用六面体网格,并在叶片壁面处及叶轮径向间隙处局部加密,总体网格数目为254 万。本次研究采用ANSYS CFX 14. 0 软件,选取k-ε 湍流模型、k-ω 湍流模型和SST 模型对离心风机进行模拟。从中选取静压数值与试验较为接近的模型。计算区域主要分为蜗壳计算域、叶轮计算域、集流器计算域3 个部分。3 个计算域中蜗壳计算域和集流器计算域是静止的,采用静止坐标系。而转子计算域是绕着叶轮的Z 轴旋转,采用旋转坐标系,转速为- 1450 rad /min,负号根据右手定则判断。边界条件采用流量进口、压力出口,压力出口设置为平均静压为0 Pa,将离心风机出口处默认为理想大气,外界对离心风机气流没有影响。壁面均采用无滑移壁面。交界面采用Frozen Rotor法,设为360°。各计算误差均小于10 - 4,并且迭代步数达到1000 时认定计算收敛,此时的计算数据可用于结果分析。


四、不同径向间隙流动分析

        不同湍流模型模拟结果,纵坐标Pest 为静压,横坐标qm 为流量。,静压方面k-ε 湍流模型、k-ω 湍流模型、SST模型的模拟结果与试验结果整体趋势基本一致,都是随着流量的增加而减小,这与理论上的认知相符; 在小流量段模拟值和试验值之间偏差值较小; 靠近离心风机设计工况流量附近的模拟值和试验值更加接近; 当流量增大到大于设计工况流量时,SST 模型相较于k-ε 湍流模型、k-ω 湍流模型的计算结果与试验数据差别较小。且与试验误差均小于3%,这表明了数值模拟的可靠性。从总体模拟结果来看,这3 种不同的湍流模型模拟的结果在中小流量段比较准确,大流量段偏差较大。

        综上所述,因为评判风机的一个主要参数为静压,故以下对径向间隙分别为4,6,8 mm 的模拟均采用SST 模型。其中6 mm 为风机原型的出口与叶轮入口径向间隙。不同径向间隙下的流体泄漏量的变曲线。可以看出3 个不同间隙下在小流量段间隙处的泄漏量几乎保持不变,随着流量的增大,泄漏量稍有增加,在最大流量处泄漏量有一个突然上升的趋势。这主要由于随着流量的增大,间隙两侧的压力差越大,同时可以看到,径向间隙越大,相同流量下的泄漏量越大。而且随着径向间隙的增大,泄漏增加的趋势越明显.

       由于3 个模型改动较小,所以整体趋势保持一致,在静压方面,小流量情况下3条曲线基本重合,在大流量阶段4 mm 间隙时的静压要明显高于其他2 个间隙情况下的静压,比6 mm 间隙时静压整体提升30 Pa 左右,比8 mm间隙时整体提升70 Pa 左右。可见内部泄漏在大流量情况下对静压的影响还是比较大的。

      从效率方面来看,小流量情况下3 种间隙表现出的差异不够明显,大流量情况下,小间隙在提升静压效率方面表现出了较大的势,4 mm 间隙时比6 mm间隙时静压效率整体提升1% ~ 1. 5%,比8 mm间隙时整体提升2% ~ 4%。可见间隙的大小对于小流量的时候在静压和静压效率方面区别并不明显,但是在较大流量下,小间隙要明显优于大间隙。

      结合8,9 及间隙和静压以及静压效率的关系可知道,间隙越小离心风机的静压和静压效率都会较大,但是由于制造工艺的限制,在实际生产过程中并不是越小间隙越好,间隙过小再加上制造安装误差以及离心风机运行过程中的微小形变会导致动静截面接触摩擦的产生,不仅不能提高风机的效率,反而会严重影响其使用寿命。

     为了实地考察工厂在制造风机过程中的间隙误差,在同一批产品中随机抽取20 件进行编号,对集流器和叶轮进口之间的径向间隙进行测量,测量工具为游标卡尺,得到一系列的径向间隙值,随着流量的增大,流体的整体流速变快,间隙左侧的泄漏涡逐渐转换为泄漏流,间隙下侧的涡流位置逐渐上移,使得流体经由叶轮排出进入蜗壳时的阻碍变小,在两者共同作用下,导致径向间隙间泄漏量的增加。


五、结论

        ( 1) 小流量下,不同间隙的泄露量基本相等。大流量下,间隙大小对泄露量的影响较大。

        ( 2) 大流量下,间隙大小对风机的效率有较大的影响,但是并不能改变风机的静压效率曲线的趋势。

        ( 3) 风机径向间隙泄露量存在拐点,当风机流量小于该拐点值时,随着流量的增加,泄露量基本不变,当风机流量达到该拐点值时,泄露量会急剧增加,随后随着风机流量的增加,泄露量也会逐渐增加。本文的研究对以后风机设计和加工,特别是小流量风机的设计和加工具有一定的借鉴意义。同时,也验证了SST 模型在离心式风机CFD 数值模拟的适用性。


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