提高離心風機性能較低噪聲
關(guān)鍵詞：離心風機性能 發(fā)布時間：2013-12-30 點擊數(shù)：1465
離心風機現(xiàn)在運用廣泛，基本上么個行業(yè)都需要通風設(shè)備，離心風機又是通風設(shè)備中最常用的。中小型火力發(fā)電廠煙風系統(tǒng)多配 備離心風機作為動力源，如 G4–73 型離心風機就作 為鍋爐送、引風機及一次風機廣泛應用于 200 和 300 MW 火力發(fā)電機組。出于配合企業(yè)擴容改造或 是設(shè)計時選型不當?shù)榷喾N原因，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常 需要對風機進行改造來提高風機的出力。提高風機 出力的方法有增加葉片數(shù)、加大葉輪寬度、改變?nèi)~ 片進出口角度和加大葉輪直徑等，其中一種簡單、 經(jīng)濟的手段就是將風機葉片加長，同時加大葉輪 直徑。 為確定風機葉片的加長量，可參考的理論是風 機的切割定律[1-2]。由風機的相似定律，根據(jù)風機的 型式特點可推出如下 2 種形式的切割定律： 1）對于葉輪前盤為錐形或弧形的離心式通風 機，認為葉輪切割或加長前、后的出口過流面積不 變，因此可推出：
q’v/qv=D’2/D2 (1)
p’/p=(D’2/D2)² (2)
P’sh/Psh=(D’2/D3)³ (3)
式中：qV，p，Psh 分別為原風機的流量、全壓和軸 功率；帶有上標“' ”的為改造后風機對應工況點的 參數(shù)。按式(1)和(2)計算得到的風機葉片切割或加長 前后的對應工況點在風機的全壓–流量曲線圖中位 于一條拋物線上，所以式(1)~(3)也稱為拋物線型切 割定律。
2對葉輪出口附近的前盤為平直形的離心式 通風機，假定葉片切割或加長前、后葉輪出口的寬 度不變，因此可推出：
q’v/qv=(D’2/D2）² (4)
p’/p=(D’2/D2)² (5)
P’sh/Psh=(D’2/D3)4 (6)
按式(4)、(5)計算得到的風機葉片切割或加長前 后的對應工況點在全壓–流量曲線圖中位于一條直 線上，所以式(4)~(6)也稱為直線型切割定律。 目前人們普遍認為上述公式計算精度不高[2]， 而且，上述公式描述的是風機葉輪葉片切割或加長 前后對應工況點參數(shù)的關(guān)系，而非運行工況點參數(shù) 的關(guān)系，因此，并不能根據(jù)實際需要直接用于計算 切割或加長量。更為重要的是，涉及切割定律應用 于風機的文獻中絕大多數(shù)介紹的都是葉輪切割的 情形[3-6]，涉及葉片加長的工程實例[7-9]也僅介紹了 改造前后風機運行工況點的數(shù)據(jù)，并未給出風機葉 輪葉片加長后性能參數(shù)的變化規(guī)律，對葉輪葉片加 長后的內(nèi)流特征也尚未有研究報道。 本文擬通過對風機葉片加長前后的內(nèi)流特征 進行數(shù)值模擬，探討風機葉輪葉片加長對流場及性 能參數(shù)的影響機制，借助葉輪葉片加長前后的離心 風機的性能實驗，獲取加長量與風機運行工況點性 能參數(shù)的關(guān)系。考慮到生產(chǎn)中對風機噪聲的限制越 來越高，而風機葉輪葉片加長后勢必引起噪聲水平 的變化，因而在風機性能實驗的同時還進行了風機 噪聲的測量。
1 數(shù)值模擬 1.1 計算模型的建立 以 G4–73№.8 離心風機為研究對象，該風機的 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。本文采用的葉片加長方式為在流 道型線不變、進口各幾何尺寸不變的情況下，沿每 個葉片工作面的出口邊切線方向，焊接一定長度的單板葉片，并保證接口處平滑過渡，如圖2所示。同時將葉輪的后盤與前盤沿圓周方向各焊接上一個圓環(huán)，使其直接和加長葉片后的葉輪外徑齊平。
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考慮到 G4–73№.8D 風機的葉輪和蝸舌之間只 有 100 mm 的距離，為避免風機蝸殼發(fā)生變動，所 以葉片加長導致的葉輪直徑增加量要保持在 100 mm 之內(nèi)。計算時采用的原始葉輪外徑為 800 mm，葉片加長后的葉輪外徑為 880 mm。 按G4–73№.8風機的真實尺寸建立風機三維結(jié) 構(gòu)模型，包括集流器、葉輪和蝸殼 3 個區(qū)域。由于 考慮到風機內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)非常復雜，本文的通風機 模型采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，即在流場梯度變化比較快 的關(guān)鍵區(qū)域布置較密的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在流 場梯度變化比較緩慢的區(qū)域布置稀疏的結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格，以減少計算量和計算成本。在滿足收斂的前提 下，經(jīng)多次調(diào)試，并綜合考慮計算時間和計算精度 (將模擬結(jié)果與以前的實驗數(shù)據(jù)比較，相對誤差小于 2%)，本文的模擬計算中網(wǎng)格總數(shù)約為 120 萬個。 數(shù)值模擬采用 FLUENT 軟件，計算過程采用 SIMPLE 算法來耦合壓力場和速度場，二階迎風差 分格式，收斂判據(jù)為變量殘差絕對值小于 10−3。近 壁處采用標準壁面函數(shù)。在流動入口即集流器處給 出均勻分布的速度場作為入口邊界條件，給定大氣 壓強值作為出口邊界條件，葉輪轉(zhuǎn)速為 1 450 r/min。 計算中，假定氣流作不可壓縮穩(wěn)定流動，并忽略重 力的影響。計算中采用 RNG k- ε 紊流模型，其他關(guān) 鍵技術(shù)詳見文獻[10-11]。
1.2 加長前后的內(nèi)流特征 原風機葉片加長后，葉輪直徑也同時增大，而 由葉片式泵與風機的能量方程式[1-2]可知，風機的做 功能力與葉輪外徑成正比，因而氣流總壓在風機內(nèi) 將顯著提高。 圖 3 和圖 4 表明，葉輪葉片加長后風機中的氣 流自葉片加長部分附近，總壓明顯升高。而且，由 于風機葉輪加大后，蝸殼尺寸并未改變，因而蝸殼 內(nèi)氣體的流通面積相應減少，使得蝸殼內(nèi)氣體流速 加快，總壓進一步增加。圖 3 和圖 4 還表明，葉輪 葉片加長的同時，蝸殼內(nèi)流場的均勻性也有所下 降，同時蝸殼內(nèi)氣流速度加快，使得蝸殼損失相應 增加[12-13]，將導致風機效率有所下降。 圖 5 為葉輪葉片加長前、后蝸舌附近總壓分布 的對比圖。氣流在葉輪內(nèi)的壓力面和吸力面上，壓 力分布均為從葉片前緣至后緣逐漸增大。另外由于 氣體流動的連續(xù)性，且葉片加長前后風機出口均設(shè) 定大氣壓強作為邊界條件，這使得葉片加長后對氣 體總壓的影響并不局限于加長部分之后，對加長部 分之前也會有影響。比較圖 5 中葉輪入口處的低壓 區(qū)可知，葉片加長后，葉輪入口處低壓區(qū)域的面積有所減少。
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綜上所述，利用FLUENT軟件對G4–73№.8D離心通風機 葉輪葉片加長前、后的內(nèi)流特征進行了數(shù)值模擬， 比較加長前后內(nèi)部流場的變化，分析了風機做功能力提高的機制。在此基礎(chǔ)上對葉輪葉片加長前后離 心通風機進行了性能和噪聲實驗。由此可以得出以 下幾點結(jié)論：
1）當風機葉輪葉片加長 5%和 10%時，運行工 況點的流量平均增加 4.9%和 10.5%，全壓平均提高 10%和 22.1%，軸功率平均增大 15.7%和 30.2%；由 實驗結(jié)果整理得到了實驗風機在葉輪葉片加長前 后運行工況點的變化規(guī)律及風機的無因次性能曲 線，可為工程中風機的葉片加長改造提供參考依據(jù)。
2）當風機葉輪葉片加長前、后葉輪出口寬度 不變時，適用的切割定律應為式(1)~(3)而非式(4)~ (6)，且切割定律更適合大流量區(qū)相應工況點性能參 數(shù)的換算。
3）當風機葉輪葉片加長 5%和 10%時，A 聲級 平均提高了 1.6 和 2.3 dB。頻譜分析表明，加長葉 輪葉片減少了葉輪與蝸舌間的距離，增加了旋轉(zhuǎn)噪 聲；同時使蝸殼內(nèi)流動惡化，渦流噪聲增加。噪聲 的增加可通過相應的降噪措施加以改善。
常州市（無錫）文順風機有限公司產(chǎn)品齊全，主要產(chǎn)品有：高、中、低離心風機、引風機；各種軸流風機；水泥立
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