不同进气结构对双吸离心风机影响的数值研究

曹晓平 范杜平

（1.湖南广播电视大学；2.湖南开放大学；3.长沙鼓风机厂有限责任公司）

0 引言

在大型火电厂、钢厂和水泥厂中，风机是仅次于泵的耗电大户，降低大型离心风机的能耗及提高其运行效率对提升系统节能非常重要。大多数在火电厂、钢厂和水泥厂运行的大型双吸双支撑离心风机的运行效率仅为40%～60%，系统中大量使用的F 型传动、径向进气的离心风机，很难达到II 级能效要求，严重制约离心风机及其系统节能改造的实际效果和行业应用推广【1-5】。

近几年相关学者对双吸离心风机做了一些研究，周红【6】等用数值模拟的方法对F型进气箱、机壳结构进行优化匹配设计，研究结果表明：该方法可以提高F 型离心风机的整机效率。黄香彬[7]等使用数值模拟方法研究进口分叉管道与进气箱进气角度对双吸双支撑离心风机性能的影响：随着分叉角度的增大，风机进口截面的速度不均匀度越大，集流器出口气流的涡流强度越强，风机效率与全压越低；而进气箱进气角度由45o旋转至30o或60o时，风机性能变化不大。

而对于工业上应用双吸离心风机的结构主要有4种[8-15]：a）平行进气箱；b）无进气箱，大部分油烟机排风扇为该结构；c）对称分叉进气箱；d）非对称分叉进气箱。

本文采用数值模拟的方法研究以上4种不同的进气箱对双吸离心风机效率和全压的影响，拟解决双吸离心风机在工程应用上采取合理的进气箱结构。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

本文研究的几何模型包括双吸离心风机本体和进气箱，风机本体的主要参数如表1所示。风机叶轮的流体模型和风机本体内部流体模型如图1所示。

表1 风机本体的主要参数Tab.1 The main parameters of fan

图1 风机本体流体模型Fig.1 The flow model of fan

4 种不同的进气箱流体模型分别如图2 所示：进气管道相对进气箱偏差200mm。为了模拟计算，在风机进口和蜗壳出口分别增加5m延长管道。

图2 4种不同进气箱的模型图Fig.2 4 Kinds of inlet boxes

1.2 研究方法

采用SOLIDWORKS 分别建立4 种不同进气结构的流体三维模型图，在ICEM中进行网格划分和边界层的命名，最后导入CFX 进行流场模拟。网格划分采用非结构性网格，通过开展网格无关性分析确保计算结果的可靠性，网格的数量为700万左右。在CFX设置中认为流体不可压，旋转坐标系下的离散方程采用显示耦合方法求解，湍流模型采用标准的K-E模型，同时使用标准的壁面函数。边界条件进口采用全压，全温，温度为25oC；出口给定6种不同的质量流量对每种进气条件进行模拟。

2 计算结果及其分析

通过模拟计算得到不同进气结构的全压和多变效率，其中（a）、（c）和（d）全压定义为蜗壳出口面（即出口延长段进口边界）平均静压-进气箱进口面平均静压+蜗壳出口面平均动压-进气箱进口面平均动压，（b）全压定义为蜗壳出口面平均静压-进风口进口面平均静压+蜗壳出口面平均动压-进风口进口面平均动压。

多变效率定义为

其中，p2为蜗壳出口面平均静压+平均动压，Pa；p1为进气箱(或者进风口)进口面平均静压+平均动压，Pa;T2为蜗壳出口面的平均温度，K；T1为进气箱进口面或者进风口进口面的平均温度，K。计算结果如表2。

2.1 不同进气结构的压力分析

由表2 所知，同一质量流量的条件下，当质量流量大于59.7kg/s时，（a）平行进气箱的全压最低，（c）对称分叉进气箱的全压最高；当质量流量小于等于59.7kg/s，（b）无进气箱的全压最高，而（a）平行进气箱的全压最低。这说明了（a）平行进气箱不论是在小流量范围还是大流量范围全压都是最低的，对双吸离心风机最为不利；而（b）无进气箱对小流量双吸离心风机的全压是有利的；而（c）对称分叉进气箱对大流量双吸离心风机的全压是有利的。

表2 4种进气箱的全压和多变效率Tab.2 The total pressure and variable efficiency of 4 inlet boxes

为了更好地理解不同进气结构压力云图，本文对4种不同进气结构下选取质量流量为59.7kg/s、以蜗壳中间面距离2/3叶高平面和子午面压力云图进行分析，如图3所示。

从2/3 叶高平面的云图发现，除了（b）无进气箱最大压力已经分布在蜗壳出面外，其余3种进气结构的最大压力云图在蜗壳的外围。而这种形成在蜗壳外围的最大压力现象，正是出口给定的质量流量导致而成的，即出口安装一个阀门，通过调节阀门的开关形成的阻力；而且其他3种进气结构的蜗舌部分会形成一个局部高压区，说明带进气箱的双吸离心风机的蜗舌是影响风机效率最重要的。

从子午面的压力云图发现，从进气箱到进风口，然后至叶轮部分压力云图分层明显：对于带进气箱的，在进风口段存在明显的低压区和在叶轮中盘存在一个局部高压区；而无进气箱结构（b），在叶轮进口边缘形成一个高压区，其轴盘模型是不可忽略的一个因素。

图3 4种不同进气结构的压力云图Fig.3 The pressure diagram of 4 kinds of inlet boxes

2.2 不同进气结构的速度分析

对4 种不同进气结构条件下选取质量流量为59.7kg/s、以蜗壳中间面距离2/3叶高平面和子午面的速度云图进行分析，如图4所示。

图4 4种不同进气结构的速度云图Fig.4 The speed diagram of 4 kinds of inlet boxes

从2/3叶高平面的速度云图发现，叶片出口处存在局部低速区，叶轮出口与蜗壳进口部位存在局部高速区，说明该风机叶轮叶片的形式和蜗壳型线存在一个匹配优化的问题。

从子午平面的速度云图发现，进气箱存在明显的低速区，蜗壳靠叶轮空挡位置存在高速区、非对称分叉在进气箱管道出现明显不对称速度分布，且进气箱速度场出现明显的恶化。

2.3 不同进气结构的多变效率分析

由表2 所知，同一质量流量的条件下，当质量流量大于68.2kg/s 时，（a）平行进气箱的效率最低，其次为（b）无进气箱，再次为（d）非对称分叉进气箱，多变效率最高为（c）对称分叉进气箱；当质量流量小于等于68.2kg/s 大于51.2kg/s 时，（b）无进气箱多变效率最低，其次为（a）平行进气箱，再次为（d）非对称分叉进气箱，多变效率最高为（c）对称分叉进气箱；当质量流量小于51.2kg/s时，（b）无进气箱多变效率最低，其次为（c）对称分叉进气箱，再次为（d）非对称分叉进气箱，多变效率最高的是（a）平行进气箱。

从多变效率的比较中可以发现，对于大流量范围，（c）对称分叉进气箱的多变效率最高，而平行进气箱（a）的多变效率最低；对于小流量范围，平行进气箱（a）的多变效率最高，无进气箱（b）的多变效率最低。

综上所述，不论从多变效率还是全压的角度，采用带对称分叉进气结构适合大质量流量范围的情况；而对于小质量流量的工况而言，采用无进气箱结构其全压最高，而效率反而低；采用平行进气箱结构其全压最低，而效率反而高。这也说明了在大型火电厂、钢厂和水泥厂所采用的双吸风机，流量很大的情况，采用带对称分叉结构更为合适；而在家电应用的油烟机或者空调机所采用的双吸风机，流量相对不大，采用无进气箱结构更为合适，但该类双吸风机效率普遍比较低。

3 结论

本文采用数值模拟的方法研究4 种不同的进气情况对双吸离心风机全压和效率的影响，并通过在蜗壳中间面2/3 叶片平面和子午平面的压力云图和速度云图来分析该风机在实际应用过程中需要重视的事项，得到以下结论：

1）从多变效率和全压的角度考虑，大流量的双吸离心风机建议采用带对称分叉进气结构；对于小流量的双吸离心风机采用无进气箱的进气结构，但其效率相对比较低；

2）双吸离心风机在使用过程存在叶轮与蜗壳的匹配问题，蜗壳蜗舌、进气箱的进风口段、叶轮轴盘是影响风机性能的主要因素；而无进气箱轴盘对风机性能的影响不可忽略。