集流器改型对离心风机性能影响的研究

陈欣、张舜鑫

( 中国电建集团透平科技有限公司 )

摘要：为使离心式送风机现场安装方便，增加整个静止部件的结构强度，现对某36比转速离心风机的集流器进行改进，并对改进后的两种方案也进行了数值模拟计算，对比分析改进前后三种方案，结果表明：进气箱与蜗壳越靠近，即集流器轴向尺寸越短，对风机的性能影响越明显；但总体上对风机压力系数和效率的改变有限，在进气箱与机壳完全贴合的方案下，风机的压力系数较原始模型降低2.7%，效率下降约1.2个百分点。

关键词：离心风机、集流器、结构改进、数值计算

中图分类号：TH432.1；TK05

文献标志码：A

0引言

离心风机以其结构紧凑、压力系数大、适中的流量系数以及噪声低的特点被广泛地应用在煤电和冶金等行业中。进气箱、集流器、蜗壳和叶轮是离心风机最重要的四大部件，通常大比转速的离心风机如4-73等型号，由于其本身流量系数较大，蜗壳较宽，其进气箱和蜗壳在轴向是贴合在一起的，这种设计的好处一个是风机整个静止部件的强度较高，风机现场安装时用法兰将集流器直接安装在蜗壳上即可，简单方便。而中等偏低比转的离心风机往往为了保证更好的气动性能，集流器轴向尺寸较长，蜗壳偏窄，其进气箱和蜗壳是分离的，现场安装需要更多的支撑，且进气箱和蜗壳之间轴向间距较小，集流器安装不便。因此对该类离心风机的设计也提出了更高的要求，不仅在气动性能上要达标，且结构上也要更简洁紧凑。

已有学者对离心风机的叶轮、进气箱和蜗壳进行了较为详细的研究和优化设计^[1-3]。魏铭等采用实验和数值模拟相结合的方法研究了优化集流器出口直径和集流器与叶轮的轴向间隙对风机气动性能的影响，结果表明优化后的风机在整个工况范围内的气动性能都得到了提升^[4]。,以上研究都以离心风机的气动性能或噪声为关键目标来对风机的集流器进行优化研究，而应用的大型离心风机在结构强度设计和现场是否安装方便等因素的考虑相较于风机气动性能也同等重要。

本文以某36比转速的电站用离心风机为研究对象，采用数值模拟结合性能试验的方法研究改进集流器轴向尺寸对该型号离心风机气动性能的影响，分析此结构改型的可行性，并为其他型号的风机结构改进提供参考。

1研究对象

1.1计算模型

数值计算模型根据该36比转速离心风机的空气动力学略图尺寸，建立风机整机三维模型，风机蜗壳出口进行延伸处理，出口延长段长度1000mm，两种改进方案的计算模型采用同样建模方法，计算模型示意图如图1所示。

1.进气箱；2.蜗壳；3.叶轮；4.集流器

图1 计算模型示意图

1.2改型方案

在原离心风机空动图基础上改变进气箱与机壳间距，本次研究共有两种改进方案，方案一：将进气箱与机壳间距离缩短到原间距的一半，集流器也相应缩短，其他结构不做任何改变；方案二：将进气箱直接与机壳贴合，中间不留间隙，集流器也相应缩短，其他结构不做任何改动。原空动图与两种改进方案的对比示意图如图2所示。

图2 三种计算方案空气动力学略图对比

2数值计算

2.1模型网格划分

采用TurboGird对叶轮进行单流道六面体网格划分，边界层采用整体Y+值设置的方法，全局Y+值小于10；为确保数值计算的精确度，对计算模型进行了网格无关性验证，当模型网格总数为265×10⁴时风机全压变化已非常小，可认为该网格数满足数值计算要求，网格划分示意图如图3所示。

图3计算模型网格划分示意图

2.2数值计算有效性验证

为了证实该离心风机的数值计算模型和数值方法的有效性，在风室式进气试验台上对该叶轮进行了实验测试，并将带数值计算结果与实验得到的性能曲线进行对比如图4所示，可以看出数值计算的压力系数曲线和效率曲线与实验曲线吻合度较高，在最高效率工况点处仿真比实验的压力系数高出约6%，效率高出约4.2个百分点，说明采用该数值模型和数值方法对此风机的性能进行预测是可行的。

图4 原型集流器实验与数值计算性能曲线对比

3结果分析

3.1外特性曲线对比

将集流器改型后两种模型的数值计算结果绘制成无因次性能曲线并与原模型进行对比，无因次曲线如图5所示，比较集流器改型前后三种模型的风机无因次性能曲线可以看出，三种方案的最高效率点都在相同流量系数φ处，其次三种风机模型的失速点也在相同流量系数处，说明缩短集流器轴向尺寸，即改变进气箱与蜗壳的间距离不会影响最高效率点和失速点的位置。

集流器改型方案一与原始模型相比，两者压力系数Ψ基本相同，效率η略有差别，但基本相差范围都在0.5个百分点以内；集流器改型方案二与原始模型相比，压力系数整体都有所降低，在最高效率点处压力系数降低约2.7%，效率比原始模型也有所下降，在最高效率点处效率下降约1.2个百分点。

图5 集流器改型前后三种方案的外特性曲线对比

3.2内流场分析

（a）原始模型 （b）方案一 （c）方案二

图6风机子午面上速度分布云图对比

将三种模型数值计算结果采用CFD-post处理得到风机子午面上的速度分布云图如图6所示，通过比较三种方案子午面上的速度分布可以看出，集流器轴向尺寸缩短后在叶轮进口处的湍流区明显增大，在集流器出口到叶轮进口速度梯度变化更快，这也使该区域的湍流可能会更多的影响叶轮流道内的流动，使风机的整机效率和压力有所下降。

4结论

通过对该离心风机采用数值计算的方法研究了改变其集流器轴向尺寸对风机气动性能的影响，并对原型风机进行了性能实验验证，主要得到以下几点结论：

（1）由数值计算结果分析可以得出，改变进气箱与蜗壳之间的间距对风机整体效率和压力系数是有影响的，两个部件之间的间距越小，即集流器轴向尺寸越短，对风机的性能影响越明显；

（2）总体上缩短集流器对风机压力系数和效率的影响有限，即便在进气箱与蜗壳贴合的方案下，该风机的压力系数较原始模型降低2.7%，效率下降约1.2个百分点，因此这种对集流器的结构改进是可行的。

参考文献

1. 孙大伟,石清鑫,乔海勇,闪恒杰.600MW机组一次离心风机系统的整体优化节能改造[J].风机技术,2016,58(02):78-80+90.

2. 曹晓平,范杜平.不同进气结构对双吸离心风机影响的数值研究[J].风机技术,2021,63(02):42-47.

3. 武翼飞,史伟.锅炉中引风机叶片结构优化设计仿真[J].计算机仿真,2018,35(12):199-203.

4. 魏铭,熊仲营,刘小民,孙利校.集流器结构对多翼离心风机气动性能的影响[J].西安交通大学学报,2018,52(09):109-117.