空氣懸浮高速離心鼓風機流場計算及喘振分析

引言

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

目前,國內(nèi)外對通風機、離心鼓風機及離心壓縮機的研究很多,但對空氣懸浮高速離心鼓風機的研究較少。丁可金等人采用CFD軟件對離心通風機進行了數(shù)值計算,并將外特性結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比,同時對其內(nèi)部流場進行了研究,提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。趙斌等人對離心壓縮機進行了數(shù)值計算,并針對小流量、大流量工況進行了離心壓縮機內(nèi)部流場特性分析。寧遠釗等人應用CFX軟件及標準K-ε湍流模型,對兩級離心鼓風機進行了整機三維流場的數(shù)值模擬,進而預測出整機的性能曲線。張陽柳等人研究了不同轉(zhuǎn)速加裝葉輪對單級離心鼓風機全流場的影響,為風機改造提供了指導,為優(yōu)化設計提供了依據(jù)。代彬等人提出了高壓比葉輪離心鼓風機的市場優(yōu)勢,并對高壓比單級高速離心鼓風機進行了研究,對葉輪進行了數(shù)值模擬分析,指出了其效率低的原因,并提出了改進方法。

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

1模型及計算方法

1.1幾何模型

本文研究的空氣懸浮高速離心鼓風機計算流場由蝸殼、葉輪、吸入室三部分組成,如圖1所示。

該鼓風機設計參數(shù)為:流量58m³/min,壓比約為1.7,轉(zhuǎn)速33000r/min,葉片數(shù)12個(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)格進行加密,并保證其他部分網(wǎng)格質(zhì)量足夠好,滿足計算所需網(wǎng)格質(zhì)量要求。本次計算模型使用的網(wǎng)格數(shù)量為640萬,y+值小于10,劃分好的計算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2  計算域網(wǎng)格

1.3計算方法及邊界條件

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

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

由于鼓風機流動域是由多個部件裝配而成的,在不同部件相交接的地方,均需設置交接面(Interface）。當靜止部件和葉輪交接時,需采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型(Frozen Rotor）。

2數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果分析比較

本文利用多變效率來計算葉片的效率,多變效率計算公式如下:

式中:k為等嫡指數(shù):p₂為出口壓力:p₁為進口壓力:T₂為出口溫度:T₁為進口溫度。

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

2.2內(nèi)部流場分析

通過軟件后處理,得到高速離心鼓風機內(nèi)部流動情況。

圖4為整個計算域內(nèi)部的流線分布圖,從圖中可以看到,氣體從進口進入,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,說明該風機內(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,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,從葉片進口到出口,壓力成梯度式遞增分布,符合離心鼓風機壓力分布形式。

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。最大流速可以達到301m/s左右,因此在設計該風機時,需要考慮氣動力對風機帶來的結(jié)構(gòu)強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7 葉片最低端水平截面壓力分布圖

圖8  葉片通道的速度矢量圖

圖9  縱截面上的壓力分布圖

4喘振及阻塞計算

當流量小到一定數(shù)值時,風機系統(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,正常流動規(guī)律完全被打破,劇烈的振動導致鼓風機在短時間內(nèi)會受到嚴重破壞。阻塞是當流量增大到一定值時,因擾流而不能高效地利用流通區(qū)域,進而發(fā)生的堵塞效應。因此,研究鼓風機的喘振和阻塞是極其重要的,在設計時,所有運行工況點均應該落在喘振一阻塞曲線內(nèi)。

圖10是計算得到的高速離心鼓風機的喘振一阻塞曲線,從圖中可以看到,轉(zhuǎn)速越低,喘振及阻塞值越小,風機工作區(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的喘振和阻塞時的進口流量值,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機的全流道進行數(shù)值計算,得到了高速離心鼓風機的性能曲線,與風機測試試驗數(shù)據(jù)一致。同時,對鼓風機內(nèi)部流動機理進行了分析,并得到了風機的喘振一阻塞曲線,對鼓風機的設計、正常運行及維護具有一定的參考價值。