双进气后向离心风机的气动性能数值模拟及其改进.pdf

F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 3， No． 6， 2 01 5 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 6 0 0 4 4 0 3 双进气后向离心风机的气动性能数值模拟及其改进 常超 ， 何奕为 ， 吴俊峰 ， 丁强民 。 黄文俊 ， 朱晓农 1 ． 合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室， 安徽合肥2 3 0 0 3 1 ； 2 ． 上海交通大学， 上海 2 0 0 2 4 0 摘要 首先对某双进气后 向叶片的离心风机性 能进行试验 和数 值模拟对 比， 验证 数值模拟结 果 的精 度及有效 性 ； 然 后在叶轮前盘、 轮盘形状和叶片数都相同的情况下， 分析了改进叶片型式风机的性能变化。数值模拟结果表明， 改进方 案风机的全压更高、 效率更高， 尤其是在大流量区， 效率提高5 ％以上。 关键词 离心风机； 双进气； 数值模拟 ； 性能 中图分类号 T H 4 3 2 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 0 Ae r o dy na mi c Pe rfo r ma nc e Num e r i c a l Si m u l a t i o n an d I m pr o ve me nt o f Do u bl e I n l e t Ba c kwa r d Ce nt r i f u ga l Fa n C H A N G C h a o ， HE Y i w e i ， wu J u n f e n g ， D I N G Q i a n g m i n ， H U A N G We n i n n ， Z H U X i a o n o n g 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o m p r e s s o r T e c h n o l o g y ， A n h u i P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f C o m p r e s s o r T e c h n o l o gy， H e fa i G e n e r a l Ma c h i n e ry R e s e a r c h I n s t i t u t e ， He f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t F i r s t d o t h e p e r f o r ma n c e e x p e r i me n t a n d n u me ric al s i mu l a t i o n c o mp a s s i o n o f a d o u b l e i n l e t b a c k wa r d c e n t r i f u g a l f a n t o v a l i d a t e t he pr e c i s i o n o f t he nu me ric a l s i mu l a t i o n r e s ul t a n d e f f e c t i v e ne s s； Th e n un d e r t he c o nd i t i o n o f t h e s a me s h a p e o f i mp e l l e r f r o n t c o i l a n d w h e e l a n d t h e s a me n u mb e r o f b l a d e， a n a l y s i s t h e p e rf o rm a n c e o f i mp r o v e d b l a d e t y p e f a n ． I t w a s f o u n d t h a t t h e t o t al p r e s s u r e a n d t he e ffic i e nc y o f i mpr o v e d f a n wa s hi g h e r b y n ume r i c a l s i mul a t i o n， e s pe c i a l l y i n t he bi g t r a f fic a r e a， t h e e f fic i e n c y o ffan w a s i mp r o v e d mo r e t h a n 5 ％ ． Ke y wor ds c e nt r i f u g al fan； d o u bl e i n l e t ； nu me ric a l s i mul a t i o n； p e rfo rm a nc e 1 引言 离心风机广泛应用于能源动力 、 石油化工、 冶 金等工业领域 中， 同时也是主要耗能设备之一 ， 如 何提高其能源利用率是当前科研人员所面对 的主 要问题 l 2 J 。离 心风机 的能 量损 失包 括流 动损 失 、 容积 损失 和机 械损失 ， 以流 动损 失 为主 。 离心风机 的叶片对叶轮 内部流动起 主要作用 ， 合 理的叶轮型式和叶片型式能有效提高离心风机的 气动性能。文献[ 4 ] 对后向式长短叶片风机进行 了数值研究 ， 得到短 叶片的周 向位置对风机性 能 起重要作用的结论 。文献[ 5 ] 对依照 Wi l s o n优化 设计方法得出风力机叶片优化设计 的数学模型 ， 收稿 日期 2 0 1 41 21 9修稿 日期 2 0 1 5 0 61 7 基金项 目 安徽省 自然科学基金资助项 目 1 4 0 8 0 8 5 MK L 5 8 并以 Ma t l a b软件为工具 编写 出叶片设计 的计算 程序。文献 [ 6 ] 利 用 N U ME C A软件对一离 心风 机的孤立叶轮进行气 动优化研究 ， 将原始叶片的 叶型 中弧线进行优化 ， 以提高叶轮 的绝热效率 。 文献 [ 7 ] 采用 E C G A算法进行风力机风力叶片的 优化设计 。文献[ 8 ] 也利用数值模拟方法对风机 叶片进行优化设计。综上所述 ， 国内外学者对风 机的性能优化设计做 了大量工作 ， 而且主要着重 于叶片型式优化方面 ， 说明叶片型式优化确实对 风机的性能提高方面有显著的作用。 本文研究对象是某双进气后向大流量离心风 机 ， 特别是针对该风机的大流量区进行研究。首 先将原型风机 的计算结果 同试验结果进行对 比， 2 0 1 5年第 4 3卷第 6期 流体机械 4 5 验证数值模拟的精度以及有效 l生； 然后在保证叶轮 前盘、 轮盘形状和叶片数都相同的情况下 ， 用数值 模拟方法重点研究改变叶片型式对风机气动性能 的影响， 对高效离心风机的设计提供了有益探索。 2 计算模型及方法 2 ． 1 计算模型 原型机为 R D K 6 ． 3型双进 气后 向离 心通 风 机 ， 设 计流量点为 2 2 0 0 0 m ／ h 。图 1所示为 叶轮 结构 ， 叶轮主要几何参数见表 1 。 图 1 风机叶轮结构示意 图 表 1 R DK 6 ． 3型风 机叶轮主要几何参数 参数 数值 叶轮直径 D mm 6 3 0 叶片进口直径 D mm 3 7 6 ． 9 叶片进 口角 0 。 。 1 7 ． 5 叶片出 口角 0 。 3 8 圆弧叶片半径 R m m 4 6 5 叶片数 Z 片 1 2 工作转速 ffm i n 1 4 5 0 2 ． 2数值 模 拟方 法 网格采用 四面体非结构化 网格 ， 叶片区单 通 道网格数 目 8 7 4 5 1 ， 叶片 区总网格数 1 0 4 9 4 1 2 ， 风 机网格数 1 3 5 8 6 5 1 ， 总网格数 2 4 0 8 0 6 3 。 数值模拟采用 F l u e n t 软件 ， 计算 区域 主要分 为 3个部分 进 口集流器、 蜗壳和叶轮。该风机 内 部流动马赫数较低 ， 可以认为是三维粘性不 可压 缩流动 ， 湍流模型选择 k一8模 型 ， 压力速度耦合 方法采取 S I MP L E算法 ， 松弛 因子采用 F l u e n t 默 认值 。进 口采用速度进 口， 出口为压力出 口条件 ， 壁面为无滑移边界。 3 模拟结果与试验结果对 比分析 原型机气动性能数值模拟结果与试验结果对 比如图 2所示 ， 从图中可以看出， 在小流量区全压 数值模拟结果较实测结果小， 全压效率值较实测 值低 ， 偏低约 5 ％ ， 达到一定流量后 ， 数值模 拟结 果反超实测结果。数值模拟全压 、 全压效率与实 测结果最大偏差均在 5 ％之 内， 在大流量区最大 偏差在 3 ％之 内， 说 明了本文 的计算模 型和计算 方法 的正确性 ， 对模型改进具有一定 的指导意义。 邑 图 2 原型机性能 曲线对 比图 4 改型设计及结果分析 斛 由原型机数值模拟和试验结果可知 ， 在 中小 流量 区风机全压效率在 7 5 ％以上 ， 但在大流量 区 全压效率在 7 0 ％以下。在实际应用 中， 风机的使 用工况是一个范围， 若 风机经常在大流量区工作 的话 ， 就会导致风机耗能偏高。本节针对大流量 区效率偏低问题 ， 在保证 叶轮外径 以及前盘形状 不变的前提下 ， 对原型机的叶片型式进行改型设 计。为 了便 于 比较 ， 分别 对原 叶 片 的进 口直径 D 、 进 口角度 0 、 圆弧叶片半径 、 叶片数 z进行 改变并做互相对比。表2为各改进方案叶片几何 参数 ， 图 3为两种叶片型式 比较。 表 2 各改进方案叶片几何参数 参数名 方案 1 方案 2 方案3 方案 4 D1 m m 3 5 6 ． 9 3 5 6 ． 9 3 6 6 ． 9 3 6 6 ． 9 0 。 1 0 1 0 1 7 ． 5 1 7 ． 5 0 。 3 8 3 8 3 8 3 8 R m m 4 6 5 4 6 5 4 3 2 4 6 5 z 片 1 2 1 2 1 2 1 O 叶片型式 1 2 2 2 a 叶片型式 1 b 叶片型式 2 图 3 两种叶片型式 2 0 1 5年第 4 3卷第 6期 流体机械 8 1 [ 2 O ]卢春萍 ， 师涌江， 田海川． 太阳能 一 空气源热泵并联 供热系统模 拟研究 [ J ] ． 流体 机械， 2 0 0 8 ， 3 6 7 7 6_ 7 9． [ 2 1 ]杜垲， 张建成． 分离式热管回热器用于热泵干燥系统传 热分析[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 1 ， 2 1 1 2 5 0 33 ． [ 2 2 ]郭仁宁， 任常在， 冯新伟． 变频 回热式热泵烤烟房的 研究[ J ] ． 黑龙江农业科学， 2 0 1 2 ， 3 1 3 9 1 4 2 ． [ 2 3 ]王剑锋， 欧阳应秀， 朱永雷， 等． 相变材料应用于热泵干 燥的实验研究[ J ] ． 太阳能学报， 2 O O 2 ， 2 3 1 2 2 2 6 ． [ 2 4 ]王建安 ， 武圣江， 郭燕， 等． 纳米涂料对密集烤房烘 烤性能及烟叶质量的影响[ J ] ． 云南农业大学学报， 2 0 1 1 ， 2 6 3 4 0 0 40 4 ． [ 2 5 ]张乐平 ， 孙山林， 柴沁虎， 等． 一种具有辅助进气口 的空气源热泵的试验研究 [ J ] ． 流体机械， 2 0 0 7， 3 5 7 5 2 5 6 ． [ 2 6 ]张绪坤 ， 毛志怀， 李华栋， 等． 热泵流化床组合干燥 胡萝 b 丁的试验[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 3 41 ． 4 4． [ 2 7 ]吕金虎 ， 赵春芳， 李金成． 热泵干燥技术在农副产品 加工中的应用与分析 [ J ] ． 农机化研究 ， 2 0 1 0 ， 1 21 2_ 2l 7． [ 2 8 ]陈坤杰， 李娟玲， 张瑞合． 热泵干燥技术的应用现状 与展望[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 0 ， 5 1 0 9 - 1 1 1 ． [ 2 9 ]符汉洪． 强自吸双吸循环水泵故障多发的原因分析 与对策[ J ] ． 化工设备与管道 ， 2 0 1 4 ， 5 1 3 5 3 5 5 ． [ 3 0 ]杨圆明， 扈继承， 张玉丰． 蒸汽发生器水压试验后干 燥技术探讨[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 5 ， 3 2 1 7 6 - 8 0 ． [ 3 1 ]陈云， 舒水明， 丁国忠， 等． 高温混合工质空气源热 泵性能试验研究[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 2 1 - 5 ． [ 3 2 ]曲明璐， 王坛， 陈剑波． 采用多环路室外机的空气源 热泵除霜 特性试 验研究 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 4 ， 4 2 1 1 5 9 _ 6 2 ， 3 3 ． [ 3 3 ]余克明， 王崎． 热泵干燥技术的发展及其应用的前 景[ J ] ． 能源技术， 2 0 o o， 1 3 6 3 7 ． [ 3 4 ]刘贵珊， 何建国， 韩小珍， 等． 热泵干燥技术的应用现状 与发展展望E J ] ． 农业科学研究， 2 0 0 6 ， 2 7 1 4 6 4 9 ． 作者简介 赵宗彬 1 9 8 6一 ， 男 ， 硕士 ， 工 程师 ， 主 要研究 方 向为热泵节能新技术、 热泵空调检测技术的研究与应用等， 通讯 地址 2 3 0 0 3 1安徽合肥市长江西路 8 8 8号合肥通用机械研究院 。 上接 第 4 6页 从 图 a 、 图 b 中可 以看出在中大流量区 ， 全压、 静压的增加较小流量区明显； 从功率曲线上 也可看出， 在中大流量区功率消耗增加也是较小 流量区明显 。效率方面， 改进前风机效率最高点 在 2 0 0 0 0 m ／ h ， 偏离风机设计点 ， 而改进后 的风机 效率最高点正好在设计点 2 2 0 0 0 m ／ h附近。在 2 0 0 0 0 m。 ／ h以下 ， 改型机效率与原型机相差不多 ， 在 2 2 0 0 0 m ／ h以上 ， 改进型风机效率 比原型机效 率高， 且 随 流 量 的 增 加 效 率 差 值 增 大， 在 2 5 0 0 0 m ／ h以上 ， 改进型风机全压效 率较原型机 效率高5 ％以上。因此改进风机无论是做功还是 效率方面 ， 在大流量区均优于原型风机 。 5结论 1 对原型机气动性能进行 了数值模拟和实 验测试 ， 数值模拟结果与实验测试结果偏差均在 8 ％以内， 说 明了本文的计算模 型和计算方法的正 确性 ， 对模型改进具有一定 的指导意义。在缺少 样机做对 比试验的情况下 ， 可以用数值模拟 的方 法近似计算模型的性能 。 2 改进型风机效率在小流量区与原型机效 率基本相同， 在大流量区效率提升明显 ， 在设计点 附近效率提高约 3 ％ ， 在超过 1 0 ％设计 流量点 附 近效率提高超过 5 ％ ， 且随流量增加效率提高值 增大 ， 表明本文改型设计效果明显 。 参考文献 张金凤， 袁野， 叶丽婷， 等． 带分流叶片离心叶轮机 械研究进展[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 1 1 3 8 4 4 ． 石雪松， 邱明杰． 新型工业化时期我国离心风机行 业 发展趋势分析 [ J ] ． 通 用机械 ， 2 0 0 9 1 1 5 - 2 1 ． 李庆宜． 通风机[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 1 ． 阳诚武， 昌泽舟． 后 向式离心通风机长短叶片的数 值研究[ J ] ． 风机技术 ， 2 0 1 2 2 2 3 6 ． 张明辉， 万全喜， 吴家龙． 基于 M ml a b与 S o l i d w o s 方法的风力机叶片优化设计 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 4 1 45 ． 邓敬亮 ， 楚武利． 离心风机叶轮叶片气动优化研究 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 3 ， 4 1 7 2 6 4 0 ． 刘雄， 陈严， 叶枝全． 遗传算法在风力机风轮叶片优 化设计中的应 用 [ J ] ． 太 阳能学报， 2 0 0 6 ， 2 7 2 1 8 0． 1 8 5． 王吴 ， 吴亚东 ， 欧阳华． 基 于数值模拟 的离心风机性 能优化[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 5 5 _ 9 ． 作者简介 常超 1 9 8 9一 ， 男 ， 工程师 ， 研究 方 向为 风机的研 究和设计 。 通讯作者 何奕 为 1 9 9 2一 ， 男 ， 本科 ， 通 讯地址 2 0 0 0 3 0上 海交通大学 机械与动力工程 学院 热能动力叶轮机专业 。 1 j 1 』1 J 1J 1j 1J