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通風除塵集流器形式對軸流式風機性能影響的研究風機節能 領導環
摘要：采用CFD數值模擬方法研究了不同結構形式集流器對大型軸流式風機性能的影響。計算得到了風機壓升和效率隨流量變化的性能曲線，對比分析了不同結構形式集流器對風機性能影響的原因，為合理設計與選擇集流器形式改善風機性能提供了依據。
關鍵詞：軸流式風機；集流器；性能
0 引言
集流器是風機的重要輔助部件，與流線罩一起組成漸縮形流道，使氣流在此加速，在風機的進口前建立起均勻的速度場和壓力場，以降低流動損失提高風機效率。集流器中氣體流速不大，管長比較短，本身流動損失不大[1]，一般情況下可以滿足進口條件的均勻流場并保證效率。集流器形式會影響風機性能，設計良好的集流器流動損失較小，而設計不合理會使進口條件惡化，導致性能[2]下降。目前對于集流器的研究主要集中在試驗分析[3]小型軸流式風機的數值模擬[4-8]，而對于大型風機研究不多。本文以某大型軸流式風機為例，改變集流器形式在整機條件下進行數值模擬，對比分析不同形式集流器對風機性能影響的原因。
風機集流器最常用的有三種形式：圓筒形、圓錐形和圓弧形。在集流器出口截面面積相同的條件下，采用與圓弧形相同的曲率設計了噴嘴形。四種形式集流器形狀見圖1。
1計算模型及數值計算
1.1計算模型與網格劃分
計算模型采用的某大型軸流風機由集流器、流線罩、葉輪、后導葉、擴散筒等組成。該風機的軸流級由動葉片和后導流葉片組成，葉輪進口前方安裝了支撐架結構。計算模型見圖2。氣流由集流器進入，通過流線罩和前支架進入葉輪，獲得能量后由擴散筒流出。風機基本參數見表1。整個計算域從集流器進口到擴散段出口，并在其后延長了一段距離。通過計算確定延長兩個風機長度可以保證沒有回流，使計算出口處流動達到穩定。
風機結構復雜并且葉片形狀不規則，生成結構化網格比較困難，相反非結構化網格適應能力強，在處理復雜結構時有利于網格的自適應。計算選用四面體非結構化網格，流場區域采用HyperMesh生成面網格，由T-Grid生成體網格，建立網格模型。在流動狀態復雜部位、葉頂間隙與葉片尖部進行了網格加密，整個計算區域劃分為進口段、葉輪段和出口段，其中葉輪區域為動區域，進口和出口兩段為靜止區域。計算網格面網格數為120萬，體網格數在1600萬左右。近壁區域邊界層劃分了5層，總厚度在15mm左右，壁面網格分布的Y+值在10～200范圍內。
1.2數值求解方法
流動計算采用FLUENT軟件，選擇設計轉速下的不同流量進行計算，進口流量分別取為80%、90%、100%、110%的設計流量。旋轉葉輪和靜止部件之間流動采用多參考坐標系法(MRF)耦合。動靜子區域交界面設為interior，在此處交換慣性坐標下的流動參數，保證界面參數的連續性。
計算域進出口氣流方向均為軸向，進口給定質量流量進口，出口設為壓力邊界條件，定義出口壓力相對大氣壓力為0。葉輪和機殼與流體接觸區域的固體壁面采用無滑移邊界條件，近壁區域采用標準壁面函數，忽略重力。設定湍流模型為Realizablek-epsilon，進、出口的湍流度和湍流粘度比分別為1%和10。
計算采用隱式分離、SIMPLE壓力速度耦合方法進行，計算時先用一階迎風格式得到初值，然后改用二階迎風格式得到更高精度的解。計算在512核刀片服務器上進行，使用了24核CPU并行計算，計算全部完成時間大約為300h。整個迭代過程監控控制方程殘差和風機進、出口面流量差與總壓差的變化，達到數值收斂和物理收斂后停止計算。
2計算結果對比與分析
2.1風機壓升隨流量變化比較
風機整體性能參數選取壓升和效率進行對比分析。此處壓升主要考慮風機進出口截面上的靜壓之差即靜壓升和全壓之差即總壓升，壓升代表了單位體積氣體在風機內所獲得的能量。
圖3給出了風機靜壓升隨進口流量變化曲線。由圖可以看出，圓筒形和噴嘴形靜壓升差距較大，在設計點處大約相差15%，這是由于圓筒形形狀規則靜壓損失較小，噴嘴形氣流紊亂，損失較大。圓弧形和圓錐形靜壓升非常接近，這兩種形式的形狀特點決定了其損失比圓筒形大但比噴嘴形損失小，所以處于中間位置。
圖4給出了總壓升隨進口流量變化曲線，前三種形式的集流器總壓升差距不是很大，而采用噴嘴形集流器時總壓升明顯下降，在設計點位置大約下降10%。
為了分析總壓升變化差距的原因，在圖5中給出了集流器出口總壓沿徑向分布曲線。從圖中可以看出，從流線罩到機殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形和圓筒形在近流線罩一側總壓接近，只有在靠近機殼外壁附近由于收縮段的影響總壓依次下降，但是總的積分值差距不會很大。噴嘴形集流器在徑向總壓變化幅度很大，造成該截面上積分值比前三種減小使總壓損失增大。
2.2風機總壓效率隨流量變化比較
總壓效率即全壓有效功率與內功率之比，它表征了風機內部流動過程的好壞，是風機設計的重要指標。
圖6給出了風機總壓效率曲線。由效率分布曲線可以看出，前三種形式的集流器在各工況下比較接近，但仍然可以看出圓弧形要比圓錐形好一些，圓筒形效率更低一些。采用噴嘴形時效率下降幅度較大，造成性能變差。
為分析效率差距的原因，在圖7中給出了集流器出口速度沿徑向分布。從圖中可以看出從流線罩到機殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形在近流線罩側速度基本一致，而在近機殼外壁側由于收縮段的影響速度增大；圓筒形在近流線罩一側速度值稍大，在近機殼外壁側沒有增大直接下降為零；噴嘴形在近流線罩側與圓筒形類似，但是在靠近機殼外壁附近，由于收縮擴張管道的影響使速度分布跳動很大，流動損失較大從而使效率最低。
為進一步分析集流器出口截面速度分布狀況，引入速度分布不均勻度來進行比較。截面上速度分布不均勻度定義為該截面上所有點速度均方根值與平均值之比，即
應用上式分別計算集流器出口處速度不均勻度數值見表2。由表中可以看出前三種形式速度不均勻度差距不大，而噴嘴形速度不均勻度數值明顯增大，說明噴嘴形集流器使氣流不平穩，造成流動損失最大。
對于總壓效率變化的比較還可以從子午面內速度分布來分析。圖8給出了集流器在子午截面內的速度等高線圖，因為對稱性只截取了一半的圖形，上側為風機機殼壁面，下側為流線罩壁面。由圖可以看出速度分布總趨勢為在流道中央速度低，近壁面區域速度高。對不同集流器形式而言，圓弧形分布最均勻速度梯度變化不大，圓筒形和圓錐形其次，噴嘴形最差，這也與速度不均勻度值相符。其中噴嘴形在近壁面處速度梯度很大，并在集流器與機殼連接拐角處有較大的流動損失，從而使其效率最低。
3結論
集流器形式對風機整機性能有影響。常用的圓弧形、圓錐形和圓筒形三種形式對于壓升影響差別不是很大，總壓效率大體上以圓弧形最高，圓錐形其次，圓筒形最差。而本例所采用的噴嘴形則在壓升和總壓效率兩個方面大幅下降，通過分析集流器出口截面總壓、速度徑向分布以及速度不均勻度幾個方面可以發現造成該種形式總壓效率下降的一些原因。
參考文獻
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有關統計資料顯示，全國在用風機產品的用電量約占全國發電總量的10%。其中，金屬礦山使用的風機用電量占全國采礦用電總量的30%；鋼鐵工業使用的風機用電量占其生產用電總量的20%；煤炭工業使用的風機用電量占全國煤炭工業用電總量的17%。因此，對于風機行業來說，如何生產出更節能、環保的風機產品，是一個需要高度重視的問題。業內人士認為，節能和環保是風機行業發展的永恒主題。那么，風機生產企業究竟該從哪里著手呢？
有關專家認為，研發節能風機產品，既要從產品設計著手，又要從風機的運行著手。
首先，在設計方面，通過應用葉輪、蝸殼等元件的科研成果，以及進一步提高制造精度，力求使各種通風機的效率平均提高5%～10%。目前，最先進的離心式通風機由于采用了三元流動葉輪，其最高效率可達87%以上；效率較高的軸流式通風機，其最高效率已達92%。
例如，沈陽鼓風機研究所于1992年為中低壓離心通風機更新換代而開發成功的4-71、4-74三元流動葉輪離心通風機就屬于高效節能新產品，其效率比同類型的老式風機提高4%，平均每臺風機年節電量約為每小時2000千瓦。但由于該風機使用的三元流動葉片制造工藝比較麻煩，制造成本比普通葉片風機較高，再加上該產品技術轉讓費高，使整臺風機制造成本加大，用戶無法承受，也就無法在全行業全面推廣。
其次，利用引進技術開發高效節能風機。例如，上海鼓風機廠有限公司和沈陽鼓風機（集團）有限公司分別引進了德國TLT和丹麥諾文科公司的動葉可調軸流通風機技術；成都電力機械廠和沈陽鼓風機（集團）有限公司引進了德國KKK公司的靜葉可調軸流通風機技術；武漢鼓風機有限公司引進了日本三菱重工的動葉可調軸流通風機技術；廣州風機廠引進了丹麥諾迪斯克通風設備公司的軸流和離心通風機技術；重慶通用（集團）有限公司和四平金豐股份有限公司引進了英國豪登公司的高溫風機技術；石家莊風機廠有限責任公司引進了日本荏原公司的離心通風機制造技術。通過引進技術，有力地促進了節能通風機產品的開發。"十一五"期間，還應根據市場的需求，適當引進風力發電機組技術及特殊用途風機，填補國內的空白。
此外，風機產品節能與否，調整變速機構，改變運行工況十分重要。目前，大多數的風機變速機構比較落后，個別產品采用傳統的三角皮帶、蝸輪副等作為調速裝置，大部分還是采用調節門調節。由于上述原因，盡管有的風機內效率較高（達86%以上），但其裝置效率并不甚高，有的甚至低至30%。隨著液力耦合器和變頻器在風機中的應用，大大提高了風機的運行效率，但應用的數量極其有限。
與此同時，"十一五"期間還應大力開展節能型鼓風機的研制工作，在這方面國外已經走在了前面。如日本對蝸殼及葉輪等通流部分的形狀做了適當的改進，有效地防止了渦流及流動分離的產生，其絕熱效率比原來的離心鼓風機提高5%～10%；瑞士制造的大流量離心式鼓風機，每級均設有進口導葉裝置，其多變效率達82%；日本制造的多級離心鼓風機，采用進口導葉連續自動調節后，節能率達20%；高速單級離心式鼓風機采用高轉速、高壓比半開式徑向三元葉輪后，其效率可提高10%；還有的在鼓風機主軸的另一端設有尾氣透平裝置，既符合環保要求，又達到了節能目的。羅茨鼓風機已采用了三葉羅茨鼓風機，既節能又降低了噪聲。
在離心式壓縮機的開發方面應更多地采用三元流動葉輪，使葉輪效率平均提高2%～5%。如美國研制出的天然氣管線輸送離心壓縮機的三種大流量三元流動葉輪，葉輪效率可達94%～95%；日本的單軸多級離心式壓縮機的效率水平也進一步提高，其首級的大流量半開式三元葉輪的絕熱效率達94%。其調節方式應更多地采用工業汽輪機或燃氣輪機驅動，以改變轉速來達到節能的目的。
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