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防涡圈对离心风机性能影响的探讨

发表时间:2020-08-17 10:07:14

防涡圈对离心风机性能影响的探讨


摘要: 针对某离心通风机模型,研究了防涡圈对风机性能的影响。数值模拟和试验结果都说明了加装防涡圈后全压升和效率有所下降,这与以往的认知不完全一致。设计工况下,未加装防涡圈的通风机全压升比加装长防涡圈的风机高出约4%,效率高出约3%,内泄漏情况也会随防涡圈长度的增加变得严重; 从内部流场可以看出,加装防涡圈减小了蜗壳内部的扩压空间,叶轮出口大尺度漩涡更加剧烈,影响了叶轮出口气流方向,并在叶轮出口产生回流现象,降低了通风机的全压和效率。因此认为对于不同压力系数和流量系数的风机,防涡圈对风机性能的影响规律是不一样的。


关键词: 离心通风机; 防涡圈; 大尺度漩涡; 内泄漏


一、前言

         防涡圈是安装在离心通风机机壳内部的装置,关于防涡圈( 有些文献里称为整流板或挡风板) 的研究已有很多。1987 年,郭志新等通过试验研究发现加入单个圆筒型、圆锥筒形、弧型或其组合型式的防涡圈,可以提高离心通风机的效率,并申请了《具有单板密封型挡风环的离心风机》的专利。1989 年,祁大同等在一台型号为4-72No.5A 的离心通风机内部分别安装了单个圆筒型、圆锥筒型、弧形防涡圈或多个圆筒型防涡圈进行性能试验测试,结果表明加装防涡圈后风机效率均得到提升,其中安装单个圆筒型防涡圈可以将风机的全压效率升高2%。之后的一些学者也使用数值模拟的方法验证了这一结论。2006年,李春曦等在G4-73No.8D 型离心式风机内加装了圆锥形防涡圈,证明了防涡圈在破碎大尺度涡,提高风机效率降低噪声等方面有着良好的效果。2009 年,张磊等在G4-73 型离心风机加装防涡圈并进行数值模拟,发现当相对流量大于45%时,风机全压明显增大,高效区域拓宽,相对流量小于100% 时,风机低频噪声明显降低。2011 年,李晓丽等通过整机数值模拟发现在风机中加装角度为6°的防涡圈可以改善蜗壳、叶轮内流体流动,提高风机的压升及效率。2012 年秦国良等开发了新系列离心通风机并进行型谱规划,在对系列风机进行试验测试时发现一台未加装防涡圈的风机效率要高于其它加装防涡圈的通风机。因此提出防涡圈是否恶化了该风机性能的猜测,本文将使用数值模拟与试验研究相结合的方法验证这一猜测的正确性。


二、计算风机模型及数值方法

         本文对某离心通风机模型进行加装防涡圈的数值计算。为该风机设计的具体参数,防涡圈加装位置分,叶轮采用结构化六面体网格划分。最终集流器网格数目为182457 个,蜗壳网格数目为403337个,叶轮网格数目为1373184 个,网格总数目为200 万。对该风机模型使用网格加密的方法进行网格无关性验证,加密后网格总数目为500 万,计算风机出口全压和全压效率相差不到0.5%,原网格达到了无关性要求。


三、计算结果及内部流动分析

3. 1 计算结果

          通风机设计流量为12235m3 /h,为了方便研究,定义通风机0.7 倍设计流量为小流量工况,1.25倍设计流量为大流量工况。离心通风机的全压为蜗壳出口全压与集流器进口全压之差,内效率η 的计风机流量的增加呈先增大后减小的趋势,在某一工况下达到峰值。其中不加装防涡圈的风机内泄漏状况明显低于加装防涡圈的风机,且防涡圈长度越长内泄漏情况越严重。无防涡圈的风机内泄漏流量在小流量工况下达到峰值,内泄漏流量的峰值点随着防涡圈长度的增加逐渐向大流量工况偏移。这说明对于该风机,安装防涡圈反而会恶化内泄漏现象。


3. 2 试验结果对比

         为不同长度防涡圈风机性能试验结果,从图5 可以看出在小流量工况下无防涡圈风机的全压值比短防涡圈及长防涡圈风机分别高出3.76%与4.02%。在设计点处,无防涡圈风机全压值比短防涡圈及长防涡圈风机分别高出3.77%与4.22%。大流量工况下,无防涡圈风机的全压值比短防涡圈及长防涡圈风机分别高出2.78%与2.96%。从图6 中可以发现小流量工况下无防涡圈风机的内效率比短防涡圈及长防涡圈风机分别高出2.51%与5.83%。设计工况下无防涡圈风机的内效率比短防涡圈及长防涡圈风机分别高出2.06%与3.22%。大流量工况下短防涡圈及长防涡圈风机内效率较为接近,无防涡圈风机的内效率比其余两台风机高出1.96%。数值计算结果趋势也与试验结果一致,说明在该台离心通风机内部加装防涡圈确实恶化了风机的性能。


3. 3 不同长度防涡圈风机内部流动分析

           为了方便分析风机内部流动状况,分别在90°、180°、270°和360°子午面上进行截面,晰地看出气体从叶轮进入蜗壳后的流动状态。由于蜗壳宽度B 要比叶轮出口宽度b2 大很多,气体从叶轮中出来以后,不会一下子充满整个扩压空间,于是会形成漩涡,涡流是造成流体机械内部流动损失重要的原因之一。从每个截面都可以明显地看出防涡圈的安装并不能避免涡流现象的产生,特别是加装L = 116mm 的防涡圈会使防涡圈与蜗壳壁面之间产生更大的涡流,这是由于加装了防涡圈以后减小了蜗壳内部的扩压空间,叶轮前盘与蜗壳壁面之间的空间没有起到扩压效果,反而使漩涡的尺度变得更大。其次从360°截面可以明显地看到没有加装防涡圈即L = 0mm 的风机叶轮出口速度方向沿垂直径向,到达蜗壳壁面之后才发生改变,而加装60mm 和116mm 防涡圈的风机叶轮出口气流方向在未到达蜗壳壁面前就发生一定程度的倾斜,这是由于加装防涡圈在叶轮的出口处产生了回流现象,这种现象反过来会影响叶轮内部的流动,导致叶轮效率降低。


四、 结论

          ( 1) 加装防涡圈会减小蜗壳内部的扩压空间,加大叶轮出口漩涡尺度,降低风机的全压;

          ( 2) 加装防涡圈以后,风机叶轮出口气流方受到涡流的影响发生改变,且在叶轮出口产生了回流的现象,影响了叶轮内部的流动,导致了风机效率的降低;

          ( 3) 加装防涡圈的风机内泄漏流量增加,且防涡圈长度越长内泄漏越严重。综上所述,对于该模型风机,安装防涡圈反而会导致通风机性能恶化。因此对于不同压力系数和流量系数的风机,加装防涡圈并不一定能够改善风机的性能,防涡圈对不同参数风机性能的影响规律还有待进一步研究。

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