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多翼离心风机蜗壳改型设计与性能试验

发表时间:2020-08-11 14:21:21

多翼离心风机蜗壳改型设计与性能试验


摘要: 为改善小型多翼离心风机受气体粘性影响导致流动分离加剧的现象,在传统蜗壳型线设计理论的基础上,研究气体粘性力矩对蜗壳壁线分布的影响,并采用动量矩修正方法对其进行改型设计。另外,为真实反映风机内流场分布情况,在标准k-ε 计算模型的扩散项中加入粘性应力作用,使其最高计算误差降低至3%。对比分析改型前后风机数值模拟计算和试验测量结果可知,采用修正的k-ε 模型进行计算发现改型后风机内旋涡强度减小,蜗壳出口靠近蜗舌处流动分离得到改善。试验结果表明: 改型风机出口静压提升约25 Pa,最大全压效率较原型机提升约10%。同时,由于蜗壳张开度扩大能够抑制流动分离,使蜗舌附近区域的旋涡强度及其影响区域减小,从而使多翼离心风机噪声降低了2. 5 dB。


关键词: 多翼离心风机; 蜗壳型线; 降噪; 模型修正; 优化


        多翼离心风机广泛应用于国民经济的各个领域,是工业生产中主要耗能设备之一。蜗壳作为离心风机中不可或缺的基本元件,其结构的不对称性及内部流动的复杂性会对叶轮出口气流角造成较大影响,使其沿圆周方向呈现出明显的不对称性。在风机实际运行过程中,叶轮出口气流与蜗壳壁面间存在强烈的非定常干涉,使得蜗壳壁面成为风机的主要噪声源。提高蜗壳型线设计水平,不仅能改善风机气动性能,还能达到降低噪声的效果。目前国内外学者对离心风机蜗壳型线的研究,主要集中在寻找能真实反映蜗壳内流体流动状态的设计方法,王军等以蜗壳与叶轮出口在半径方向上的间距随方位角线性递增来优化蜗壳型线,并用试验证明了良好的蜗壳型线不仅能提高风机效率及全压,还能改变流量-压力曲线的变化趋势;BALONI 等通过应用层次分析法( AHP) 对蜗壳的重要几何参数进行了优先排序,阐明了各参数对离心风机性能的影响; QI等采用3 种不同流量的五孔探头,测量了风机蜗壳内流体的三维流动,得出传统一维蜗壳型线设计方法忽略了风机内部严重的泄漏情况,应根据流体实际流动进行修正的结论。本文在传统蜗壳型线设计理论基础上,以某多翼离心风机为研究对象,采用动量矩修正方法对其进行性能优化。并考虑粘性应力的作用对原有k-ε计算模型进行修正,以期提高数值计算结果的准确度,为CFD 数值模拟预测风机性能的可靠性提供参考。


1 研究对象与数值模拟

1. 1 研究对象

       多翼离心风机由进口集流器、叶轮及蜗壳组成。其设计转速n = 1 200 r /min,设计流量Qv = 0. 15 m3 /s,主要尺寸参数为: 蜗壳宽度b1 = 152 mm,叶轮内径D1 = 210 mm,叶轮外径D2 = 246mm,叶片进口安装角β1A = 78°,叶片出口安装角β2A = 160°,叶片圆弧半径r = 14 mm,叶片数z = 60。


1.2三维建模及网格划

         为了提供更好的来流条件,给定较为准确的边界条件,本研究在利用Solidworks 软件对风机进行三维建模时,分别将进风区域和出风区域进行延长处理,以保证进出口气体的流动充分发展。另外,为了型的建

立,在尽量减小数值模拟误差的前提下对电动机结构进行一定程度的简化,具体计算模型如图2 所示。将建立好的风机三维模型导入ICEM 软件进行混合网格的划分。其中进出口和叶轮区域采用结构化网格,而蜗壳部分由于其内部结构复杂,尤其是电动机周围结构并非规则模型,故采用适应性较强的非结构化四面体网格,综合考虑动静耦合区域对数值模拟预测结果的影响,在进行网格划分时,对边界层进行加密处理,其最低网格质量雅克比在0. 3 以上。为了保证数值计算结果的准确性,避免网格误差对其模拟结果造成影响,对多翼离心风机进行网格无关性验证,综合考虑计算精度和计算效率可知,当网格数为2. 5 ×

106 左右时预测结果较为合理,最终确定整个计算域的网格数为2 513 558。


1.3 原风机性能试验原理及其装置

       为了验证修正后数值计算模型的准确度,对原风机的不同工况进行气动性能试验将修正前后数值计算模型预测原型机性能结果与试验值作对比分析,,采用标准k-ε 模型预测的风机性能曲线较试验值存在一定误差,其最大误差达9. 5%,修正的k-ε 模型,各流量工况下风机出口静压计算值与试验值吻合,其性能曲线趋于重合,两者误差明显减小,且最大误差降低至3%,充分验证了所采用的数值计算模型修正方法的可行性,同时为风机性能的准确度和可靠性预测提供了支撑。


2 蜗壳改型设计

2. 1 设计原理分析

       原风机蜗壳内壁型线采用的是传统蜗壳型线设计方法,即不考虑壁面粘性摩擦的影响,气流动量矩保持不变,运用不等边基圆法绘制的近似阿基米德螺旋线。而实际流动过程中,气体粘性作用常导致速度在过流断面上呈现的分布不均匀现象。


2. 2 改型设计方法

       由于气体粘性力无法通过简单的公式运算获得,且其大小受气体速度的影响,因此本文采用一种简单化的求解方法,即基于传统不等边基圆法,运用改进后的k-ε 模型对原风机进行数值模拟,所示的4 个监测截面,其方位角φ 分别为90°、180°、270°、360°。通过Fluent 后处理计算得出蜗壳壁面区域于以上4 个截面处所受粘性力Fν,测量力矩中心至力原点距离R,由额定工况下风机总质量流量q 计算得单位质量流体所受粘性力矩平均值m = FνR /q。


3 数值模拟及流场分析

      为多翼离心风机轴向方向视图,由于叶轮前盘与蜗壳前盖板间存在一定间隙,经过叶轮加速的气流压力得到提升,与蜗壳进口处气流形成压力梯度,进而造成叶轮出口靠近前盘侧气体回流现象产生,而蜗壳后盖板侧由于受到电动机结构的影响,其附近流场较蜗壳中部紊乱,为了更好地研究蜗壳型线对风机内部流场的影响情况,选取与蜗壳前盖板气体进口截面轴向距离为80 mm 的截面进行观测。


4 试验验证

    为了更好地验证上述数值计算结果的准确性,将改型后蜗壳制作成样机并分别进行气动性能试验和噪声测试。其中风机噪声测试采用全球包络法于半消音室中进行,具体试验装置及原理见图13。风机放置于半消声室中央,即球面半径为1. 414 m 的球心处,所示的4 个测试点( A、B、C、D) ,使其均布于与被侧风机中心相距1 m 的水平面与包络面相交的圆上。试验过程严格参照文献标准规定放置4 个测试点处的声压计位置,并在频率19. 7 ~ 1. 014 kHz 范围内测量1 /24 倍频带的A 计权声压级。另外,为避免环境或人为因素对测量结果造成影响,进而降低试验结果的可信度,在进行风机气动性能试验及噪声测试时采用重复试验方法,并将测量误差结果与改型前后风机性能一起做定量分析。给出了改型前、后风机静压及全压效率随流量的分布情况。结果表明,改型后试验所得3 组风机静压及全压效率曲线趋于重合,各工况平均测量误差低于3%,故可认为本文试验测量结果具有一定可信度。改型前、后风机性能曲线可知,小流量工况下改型后风机出口静压较原型机提升较小,当流量大于0. 07 m3 /s 时,静压得到明显提升,各工况下静压平均提升25 Pa 左右。另外分析图14 可知,风机全压效率呈现先增加再减小的趋势,且最大全压效率均向大流量工况点偏移,蜗壳改型后,全压效率得到提升,且在大流量工况点附近表现明显,其最大值较原型机提升约10%。考虑其全工况,两种风机流量-全压效率曲线平缓程度相当,但改型后风机的高效区域较原型机更为宽阔。15 为不同流量下风机总声级曲线。由图可知,风机A 计权声压级随流量呈线性递增趋势。改进蜗壳型线后,风机气动噪声得到改善,A 计权声压级平均降低2. 5 dB。这是由于原风机蜗壳采用传统方法设计时未考虑黏性影响,蜗壳张开度取值偏小,使得蜗壳内部气流对蜗舌处的冲击速度较大。蜗壳壁线改型设计后张开度增大,横截面处气流速度分布不均匀的现象得到改善,故改型后风机的声压级有所降低。


5 结论

   ( 1) 通过在k-ε 计算模型的扩散项中加入粘性应力作用的影响,对原计算模型进行改进,使其预测风机性能结果的准确性得到提升,最大误差降低至3%。


   ( 2) 在传统蜗壳型线设计方法的基础上,采用新的设计思路并利用改进后k-ε 计算模型,对某多翼离心风机蜗壳进行改型设计。对比分析改型前后风机数值模拟结果知,原风机在方位角30° ~ 90°范区域内流动紊乱,流体速度分布不均匀,改进蜗壳型线后,回流现象得到改善,叶轮出口径向速度提升,QBEP 下各方位角出口径向速度平均提升约2. 5 m/s,风机有效流通面积增大。


   ( 3) 气动性能试验和噪声测试结果表明: 改进后风机气动性能得到一定程度提升,其中出口静压提升约25 Pa,最大全压效率较原型机提升约10%。另外,蜗壳型线改型设计方法能有效降低风机噪声,各流量工况点下改进后风机声压级降低约2. 5 dB。


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