系列化双吸硫酸风机通用蜗壳的设计及性能分析

冀文慧/大连中意透平科技有限公司

冀春俊 孙琦*/大连理工大学能源与动力学院

系列化双吸硫酸风机通用蜗壳的设计及性能分析

冀文慧/大连中意透平科技有限公司

冀春俊 孙琦*/大连理工大学能源与动力学院

运用CFD软件NUMECA对某双吸硫酸风机系列化叶轮中的最大流量叶轮和最小流量叶轮进行数值计算，进而根据计算结果设计系列化叶轮通用的蜗壳。采用自由运动速度法分别设计常用的易于制造的圆形蜗壳和方形蜗壳进行性能对比。通过计算对比发现方形蜗壳比圆形蜗壳效率和压比均较高，具有较好的变工况性能。设计系列化叶轮通用的蜗壳有助于减少蜗壳数量，降低生产成本。同时用数值模拟的设计方法具有方便快捷、成本低、调整性好等较多优势。

双吸硫酸风机；蜗壳；系列化

0 引言

硫酸工艺是化工行业极其重要而常见的一项工艺。在整个工艺过程中，硫酸鼓风机作为重要的设备被安置在干燥器之后，转化、吸收工段之前，主要起负压抽取、正压输送的作用[1-2]。

硫酸风机一般具有流量运行范围宽，尺寸大等特点。其叶轮目前主要采取焊接或整体铣制的加工方法，而蜗壳多采用铸造形式。实际生产中，铸造蜗壳模具较为昂贵，而在硫酸风机的系列化设计中常采用单蜗壳配系列化叶轮进而适合多流量不同设计要求[3]。本文以某公司硫酸风机系列化设计为前提进行了系列化叶轮所需蜗壳的匹配性设计并予以性能分析，对硫酸风机的系列化设计具有一定的参考作用。

1 研究对象及数值计算方法

1.1 研究对象

以某硫酸风机系列化用最大流量叶轮I1和最小流量叶轮I2为研究对象（如图1外径均为1 200mm），结合蜗壳的设计理论分别设计了目前较为常用的圆形蜗壳和矩形蜗壳，并对其性能进行了对比分析。首先进行叶轮的数值计算，进而进行蜗壳设计并进行性能分析。

图1 叶轮I1，I2几何模型图

本文采用NUMECA软件进行网格划分及计算。在划分网格时，分别采用了AutoGrid5中推荐的高、中、低三个等级数量的网格。通过对比计算结果进行网格无关性验证，最终选定中等数量级别的网格（145万）。叶轮三维网格如图2所示。

图2 叶轮I1，I2网格模型图

1.2 数值计算方法

计算采用Navier-Stockes方程和时间推进法求解，Sparlart-Allmaras湍流模型，空间二阶精度的中心离散格式，同时采用多重网格，隐式残差光顺技术加速收敛。计算边界条件给定如下：

工质：含二氧化硫混合气体（K=1.372 1；Cp= 1 087.1J（kg·K））

进口：总温333K、总压71kPa、密度0.733 1 kg/m3、轴向进气

出口：给定质量流量

转速：5 324r/min

初场：均匀场

设计流量范围：

I1：（双吸:2 142～2 856m3/min）

I2：（双吸:1 800～2 140m3/min）

2 叶轮计算结果分析

使用数值计算软件NUMECA对双吸叶轮进行详细的稳态三维数值计算，通过计算得到了叶轮压力分布情况如图3所示。各叶轮计算的变工况性能曲线如图4和图5所示。从图中可以看出叶轮子午压力梯度较好，变工况性能也较好，压比和效率均较高，达到理想的设计要求。

表1 各叶轮效率、压比数据表

图3 I1大轮（右）I2小轮（左）子午压力分布图

图4 I1叶轮压比与效率随流量变化曲线图

图5 I2叶轮压比与效率随流量变化曲线图

3 蜗壳的设计及计算

排气蜗壳是硫酸风机重要的固定元件，它收集叶轮排出的气体引到机外供工艺流程使用。蜗壳形式多样如圆形，梯形，梨形，方形和非对称蜗壳等形式，目前常用的主要是圆形和方形两类。本文根据叶轮的计算结果，采取大流量叶轮和小流量叶轮中间流量为蜗壳设计流量的设计方式利用自由运动速度法即cur=const的方法计算蜗壳各个控制截面的面积设计蜗壳型线[4-6]。

3.1 圆形蜗壳的计算分析

根据蜗壳的设计方法设计了圆形截面的蜗壳，分别匹配给系列轮大流量叶轮I1和小流量叶轮I2，并进行数值计算分析。网格总数分别为6 136 281和6 448 461。

图6 I1轮和I2轮配圆形蜗壳计算网格图

图7 I1轮配圆蜗壳蜗舌处总压及速度分布图

图8 I2轮配圆蜗壳蜗舌处总压及速度分布图

从计算结果看，圆形蜗壳的设计基本满足要求，模型I1在小、中间、大流量26.172kg/s、30.548kg/s、34.896kg/s的多变效率分别为0.845 64，0.895 23，0.878 53。模型I2在小、中间、大流量21.993kg、24.07kg/s、26.147kg/s的多变效率分别为0.811 21，0.815 12，0.815 49。

从图7和图8可以看出，圆形蜗壳配小流量叶轮I2时，扩压器出口的流体与蜗舌相撞，在小截面处流体产生了旋涡增加了一定的蜗壳损失。

3.2 方形蜗壳的计算分析

根据蜗壳的设计方法设计了方形截面的蜗壳，分别匹配给系列轮大流量叶轮I1和小流量叶轮I2，并进行数值计算分析。采用和圆形蜗壳相同的几何拓扑结构，网格总数分别为6 136 281和6 448 461。

图9 I1轮和I2轮配方形蜗壳计算网格图

图10 I1轮配方蜗壳蜗舌处总压及速度分布图

图11 I2轮配方蜗壳蜗舌处总压及速度分布图

从计算结果看，方形蜗壳的设计基本满足要求，模型I1在小流量26.172kg/s、中间流量30.548kg/s、大流量34.896kg/s的多变效率分别为0.857 46，0.903 25，0.892 13。模型I2在小流量21.993kg/s、中间流量24.07kg/s、大流量26.147kg/s的多变效率分别为0.821 60，0.828 23，0.826 93。

从图10和图11可以看出，方形蜗壳配小流量叶轮I2时，在小截面蜗舌处也流体产生了旋涡。

表2 各叶轮配圆蜗壳效率、压比数据表

表3 各叶轮配方蜗壳效率、压比数据表

3.3 圆形和方形蜗壳的对比分析

经过对圆形蜗壳和方形蜗壳分别匹配大流量叶轮I1和小流量叶轮I2的变工况计算分析，分别获得了圆形蜗壳和方形蜗壳在全流量范围内的变工况性能。

图12 I1叶轮、配圆蜗壳、配方蜗壳效率曲线图

图13 I1叶轮、配圆蜗壳、配方蜗壳压比曲线图

从计算得到的圆形蜗壳和方形蜗壳的变工况多变效率曲线图（图12、图14）及压比曲线图（图13、图15）中可以看出I1大流量叶轮配圆蜗壳和方蜗壳的效率比I2小流量叶轮高，但没有I2叶轮效率变化平缓。整体比较来看加蜗壳后效率压比较叶轮均有一定下降，平均降低4％～7％左右，方形蜗壳不管配小流量叶轮还是大流量叶轮的效率和压比均比圆形蜗壳与叶轮匹配高一些。所以最终选定方形蜗壳作为生产用的系列化叶轮通用蜗壳。

图14 I2叶轮、配圆蜗壳、配方蜗壳效率曲线图

图15 I2叶轮、配圆蜗壳、配方蜗壳压比曲线图

4 结论

1）系列化双吸叶轮通用蜗壳的设计有助于减少蜗壳数量，降低生产成本，通过数值模拟技术设计系列化叶轮用蜗壳具有方便快捷，成本低，调整性好等较多的优势。

2）通过计算对比，发现本文所设计的方形蜗壳比圆形蜗壳效率和压比均较高，方蜗壳较圆蜗壳总压损失小且具有较好的变工况性能。

[1]王志美.德国SCHIELE风机在硫酸系统中的应用[J].株冶科技,2000,8,28(3):16-18.

[2]F.J.Doering,J.L.Gaddy.Optimization of the Sulfuric Acid Process with a FlowsheetSimulator[J].Computers＆amp;Chemical Engineering,1980,4(1):113-122.

[3]郭定基.法国SO2风机和国产SO2风机在100kt/a硫酸装置中的使用情况[J].硫酸工业,1994(2):38-39.

[4]周莉,张鑫.离心压缩机蜗壳内部流动的研究[J].风机技术, 2010(5):1-5.

[5]孙长辉,刘正先,王斗,等.蜗壳变型线改进离心风机性能的研究[J].流体机械,2007,35(4):1-5.

[6]叶舟,王企鲲,郑胜.离心通风机蜗舌及出口流场的数值模拟分析[J].风机技术,2008(5):15-19.

Design and Performance Analysis of GeneralVoluteMatchedwith Serialization Double Suction Sulfuric Acid Fan

Ji Wen-hui/Dalian Zhongyi Turbomachinery Co.,Ltd.
Ji Chun-jun，Sun Qi/School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology
ZhaoBao-de，XuYang-zhuo/Shenyang Blower Works Group Corporation

A general volute matched with a serialization impeller was designed based on the results of simulated calculation of maximum and minimum flow in a double suction Sulfuric acid fan,with the serialization generated via by CFD software NUMECA.A free motion velocity method was utilized to design a commonly used and easily produced circular volute and square voluterespectivelytocomparetheir performance.According to calculations and the comparison results,the square volute is both higher than the circular volute in efficiency and pressure ratio,and has good performance under variable conditions.The design of general volutes for serialized impellers can help reduce the number of volutes While simultaneously lowering the productioncost.Usinganumerical simulationmethodalsohasmany advantages in the design of volutes,such as convenience,low cost and ease of making adjustments.

double suction sulfuric acid fan;volute;serialization

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2016）02-0042-05

10.16492/j.fjjs.2016.02.0084

*本文其他作者：赵宝德徐养卓/沈阳鼓风机集团股份有限公司

2015-05-08辽宁大连116024