空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)流場計(jì)算及喘振分析

引言

高速離心鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般在10000r/min以上,空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)因其效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長、成本適宜等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)污水處理廠。該類高速離心鼓風(fēng)機(jī)采用高速永磁電機(jī)直聯(lián)單級離心葉輪,軸承采用空氣懸浮軸承。

目前,國內(nèi)外對通風(fēng)機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)及離心壓縮機(jī)的研究很多,但對空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)的研究較少。丁可金等人采用CFD軟件對離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并將外特性結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,同時(shí)對其內(nèi)部流場進(jìn)行了研究,提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。趙斌等人對離心壓縮機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并針對小流量、大流量工況進(jìn)行了離心壓縮機(jī)內(nèi)部流場特性分析。寧遠(yuǎn)釗等人應(yīng)用CFx軟件及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,對兩級離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了整機(jī)三維流場的數(shù)值模擬,進(jìn)而預(yù)測出整機(jī)的性能曲線。張陽柳等人研究了不同轉(zhuǎn)速加裝葉輪對單級離心鼓風(fēng)機(jī)全流場的影響,為風(fēng)機(jī)改造提供了指導(dǎo),為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。代彬等人提出了高壓比葉輪離心鼓風(fēng)機(jī)的市場優(yōu)勢,并對高壓比單級高速離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究,對葉輪進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,指出了其效率低的原因,并提出了改進(jìn)方法。

目前的研究針對單級的、高轉(zhuǎn)速的離心鼓風(fēng)機(jī)較少,為了更清晰地了解空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場,對鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)的空氣流動有更加直觀的認(rèn)識,本文以某空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)為研究對象,對其全流道進(jìn)行定常數(shù)值計(jì)算,與樣機(jī)測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,對空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)流場和外特性進(jìn)行了研究。

1模型及計(jì)算方法

1.1幾何模型

本文研究的空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)計(jì)算流場由蝸殼、葉輪、吸入室三部分組成,如圖1所示。

該鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為:流量58r3/rin,壓比約為1.7,轉(zhuǎn)速33000r/min,葉片數(shù)12個(gè)(6長6短）,葉輪直徑D=192mm。

1.2網(wǎng)格劃分

針對該流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在劃分過程中,考慮葉頂間隙的影響,在該間隙內(nèi)布置三層網(wǎng)格進(jìn)行加密,并保證其他部分網(wǎng)格質(zhì)量足夠好,滿足計(jì)算所需網(wǎng)格質(zhì)量要求。本次計(jì)算模型使用的網(wǎng)格數(shù)量為640萬,y＋值小于10,劃分好的計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2  計(jì)算域網(wǎng)格

1.3計(jì)算方法及邊界條件

本文中選取可壓縮的理想空氣為介質(zhì),采用標(biāo)準(zhǔn)K-8湍流模型和scalable壁面函數(shù),壓力方程的離散采用標(biāo)準(zhǔn)格式,動量方程、湍動能與耗散率輸運(yùn)方程的離散均采用一階迎風(fēng)格式。在計(jì)算時(shí)通過監(jiān)測鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣室進(jìn)口截面的質(zhì)量流量和蝸殼出口截面的平均總溫的穩(wěn)定程度,判斷計(jì)算是否收斂。

邊界條件:進(jìn)口邊界條件為壓力進(jìn)口,出口邊界條件采用質(zhì)量流量。選取額定轉(zhuǎn)速下的計(jì)算參數(shù),即進(jìn)口溫度為45.2℃,出口溫度為117.9℃,進(jìn)口壓力101325Pa(1atm）,）出口流量58m3/min。

由于鼓風(fēng)機(jī)流動域是由多個(gè)部件裝配而成的,在不同部件相交接的地方,均需設(shè)置交接面（Interface）。當(dāng)靜止部件和葉輪交接時(shí),需采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型(FrozenRotor）。

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分析比較

本文利用多變效率來計(jì)算葉片的效率,多變效率計(jì)算

公式如下:

式中:k為等嫡指數(shù):p2為出口壓力:p1為進(jìn)口壓力:72為出口溫度:71為進(jìn)口溫度。

圖3為額定轉(zhuǎn)速下數(shù)值計(jì)算得到的O-Ap(流量一壓差）、O-7(流量一效率）曲線與測試結(jié)果對比情況,從圖中可以看到,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相差較小,最大誤差在5%以內(nèi)。從圖中還可以看到,轉(zhuǎn)速恒定時(shí),隨著流量增大,風(fēng)機(jī)的升壓逐漸減少,效率呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,符合風(fēng)機(jī)外特性變化規(guī)律。因此,認(rèn)為此次數(shù)值計(jì)算結(jié)果是可信的。

2.2內(nèi)部流場分析

通過軟件后處理,得到高速離心鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動情況。

圖4為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)部的流線分布圖,從圖中可以看到,氣體從進(jìn)口進(jìn)入,經(jīng)過葉片的旋流作用產(chǎn)生加速,經(jīng)過蝸殼的旋流作用流出蝸殼,從流線的流動來看,本次計(jì)算流動是合理的。

圖5是葉片最低端水平截面速度矢量圖,如圖所示,氣體流過葉片速度增加,形成流動的旋流,流動區(qū)域的最大流速在270m/s左右,說明該風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動速度很高,完全處于可壓縮狀態(tài)。氣流流出葉片后,通過蝸殼,形成旋轉(zhuǎn)流動。

圖6是葉片頂部區(qū)域水平截面速度矢量圖,由于頂部無分流葉片,在這部分只有葉片的旋流作用,氣流在葉片間形成旋流流動,離圓心越遠(yuǎn),受旋轉(zhuǎn)速度的影響,氣流速度越大。

圖4  全流道流線圖

圖5  葉片最低端水平截面速度矢量圖

圖6  葉片頂部水平橫截面速度矢量圖

圖7是葉片最低端水平截面壓力分布云圖,從葉片進(jìn)口到出口,壓力成梯度式遞增分布,符合離心鼓風(fēng)機(jī)壓力分布形式。

圖8是葉片通道的速度矢量圖,可以發(fā)現(xiàn),在葉片與分流葉片段,速度增速最大,其他區(qū)域速度相對變化較小。最大流速可以達(dá)到301m/s左右,因此在設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)時(shí),需要考慮氣動力對風(fēng)機(jī)帶來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響和氣流振動影響。

圖9是葉片縱截面壓力分布云圖,受葉片旋轉(zhuǎn)的影響,在葉輪區(qū)域,壓力相對較低,蝸殼區(qū)域由于氣流速度的增加,壓力增大。

圖9  縱截面上的壓力分布圖

3喘振及阻塞計(jì)算

當(dāng)流量小到一定數(shù)值時(shí),風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)會發(fā)生周期性、低頻率、大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象,稱為"喘振"。喘振發(fā)生時(shí),正常流動規(guī)律完全被打破,劇烈的振動導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)會受到嚴(yán)重破壞。阻塞是當(dāng)流量增大到一定值時(shí),因擾流而不能高效地利用流通區(qū)域,進(jìn)而發(fā)生的堵塞效應(yīng)。因此,研究鼓風(fēng)機(jī)的喘振和阻塞是極其重要的,在設(shè)計(jì)時(shí),所有運(yùn)行工況點(diǎn)均應(yīng)該落在喘振一阻塞曲線內(nèi)。

圖10是計(jì)算得到的高速離心鼓風(fēng)機(jī)的喘振一阻塞曲線,從圖中可以看到,轉(zhuǎn)速越低,喘振及阻塞值越小,風(fēng)機(jī)工作區(qū)間越小,隨著轉(zhuǎn)速增加,工作區(qū)間增大。

根據(jù)圖10的曲線,可以得到不同工況所對應(yīng)的喘振和阻塞時(shí)的進(jìn)口流量值,具體值如表1所示。

4結(jié)語

本文通過對空氣懸浮高速離心鼓風(fēng)機(jī)的全流道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到了高速離心鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線,與風(fēng)機(jī)測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。同時(shí),對鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動機(jī)理進(jìn)行了分析,并得到了風(fēng)機(jī)的喘振一阻塞曲線,對鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、正常運(yùn)行及維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。