大型高效离心通风机支撑管优化设计

胡春佳

摘 要：在当前的社会经济发展建设中，离心通风机受到各个企业的广泛使用，同时该设备也是影响国民经济的一个影响因素，除此之外，也是耗能设备的一种。当前，我国节能减排发展理念不断提升，但在发展的背景下和风机的使用过程中，整体风机运行效率低下，且耗能较大。因此，相关部门要重视起对离心式风机的改造和创新以及对工作效率的提高，节能减排的发展理念有着一定的意义。基于此，本文就题目中相关内容展开分析，研究分析大型离心通风机支撑管结构对风机性能的影响。

关键词：离心通风机;数值模拟;风机性能;安全性;支撑管布局优化;节能

1研究方法

建立某大型高效离心式风机的三维建模图，如图1所示。

1.1数值模拟

（1）生成网格

根据风机模型进行网格划分，风机网格分为进气箱、叶轮、密封间隙以及蜗壳几个部分。固体壁面设置10层边界层，对于密封间隙等结构较小的区域进行网格加密处理，整机网格数量为3200万。

（2）边界条件

风机的边界条件，进口设置为总温总压，出口设置为质量流量，湍流模型为SST;壁面采用无滑移条件。旋转区域采用旋转坐标系;动静交界面进行静止区域与旋转区域的耦合计算。本文研究的风机边界条件如表1所示。

1.2模态分析

模态分析是为计算在运行过程中各部件的固有频率，以确保固有频率与工作频率间留有足够的隔离裕度。本文进行模态分析的部件是风机机壳，在进行分析时，要求机壳前六阶的固有频率落在风机工作频率的0.7～1.2倍之外的安全区域里。

2优化支撑管前风机性能对比

2.1无支撑管风机

按图1所示模型进行数值模拟计算，截取1/3叶高截面的速度矢量分布与压力分布图进行比较，发现流场中没有出现明显的分离现象，如图2所示。

由此证明，该风机在气动设计上已经达到比较理想的状态。气动分析的最终结果，如表2所示。

要求。为验证该风机运行的安全性，当在对风机机壳进行模态分析时发现机壳的一、二阶固有频率在0.7-1.2倍工作频率之内，如表3所示。

由于风机机壳的工作频率与固有频率间没有足够的隔离裕度，在运行过程中存在共振风险，应增加机壳刚度来满足安全运行的设计要求。

2.2支撑管原始布置风机

为满足风机安全运行要求，最经济有效的方式是蜗壳内增加支撑管。传统设计方法中为防止机壳自身的变形，会在蜗壳内布置6根直径为Φ108mm的支撑管，如图3所示。

对该风机机壳进行模态分析，结果显示机壳前六阶固有频率都在设计要求的安全区域，保证风机可以安全运行，如表4所示。

由于支撑管在蜗壳内部，必然会对蜗壳内流场造成不利影响，对带有原始布置支持管的风机进行数值模拟计算，如图4所示。

从图4中可以看出，支撑管位置有旋涡和低速区出现，流场不再均匀。支撑管原始布置风机气动分析的最终结果如表5所示。

从表5中可以看出，增加支撑管后，整机效率下降近6个百分点，且不再满足设计要求。综上所述，该风机无支撑管时，尽管性能满足设计要求，但机壳刚度不达标;而有支撐管时，尽管机壳刚度达标，但风机性能却不满足设计要求。因此，对提高刚性所需要的支撑管进行优化，以便在满足安全运行要求的同时改善风机的性能。

3支撑管布局优化

对支撑管布局进行优化，以满足风机安全运行为前提，采用递进方式从不同支撑管直径、数量、布置位置三个方面的机壳模态及风机气动性能进行数值模拟。要求每次优化风机的效率提升0.5%以上。

3.1优化支撑管直径

支撑管为无缝钢管，优化支撑管直径主要是减小其直径。按递减的方式选择直径小于Φ108mm的若干个无缝钢管建立模型，并进行模态分析，结果如表6所示：

当支撑管直径减小到Φ60mm时，机壳的一阶固有频率是工作频率的1.14倍，达不到安全隔离裕度要求，因此，确定支撑管直径为Φ83mm。对支撑管直径为Φ83mm的模型进行数值模拟，如图5所示。

与优化前相比，风机蜗壳内支撑管位置的流场同样有旋涡与低速区出现，气动分析的最终结果如表7所示。

表7中显示，优化支撑管直径后，风机的全压有所升高，蜗壳内的全压损失降低，整机效率增加了1.76%，满足优化要求。

3.2优化支撑管数量

优化支撑管数量是在优化支撑管直径的基础上进行的，主要是要减少支撑管数量。从机壳出口开始，采取按间隔取消支撑管的方式，然后分别进行建模计算，其模态分析结果如表8所示。

当支撑管数量减少到3根时，机壳的一、二阶固有频率都达不到安全隔离裕度的要求。因此，确定支撑管数量为4根。

结语

综上所述，通过上述的设计分析研究得出的结论是，当机壳支撑管的数量增多以及其管径越大，就会导致蜗壳内压力的消耗就越大，整体风机的运行效率就会也会低;同时支撑管的布置不规范，也会导致机壳内部流动性严重降低。所以在优化作业中，通过数值模拟的方式，对支撑管结构进行优化改造，一定程度上能够提高风机的运行效率。

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