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除塵降溫多翼離心通風機內部流場數值模擬冷卻塔軸流風機的維護與
摘要： 運用計算流體力學軟件 Fluent 對多翼離心通風機進行了全三維的內部流場數值模擬。計算采用了 SIMPLEC 算法和標準的 k －ε湍流模型，并對數值模擬的結果進行了分析。計算結果與試驗結果的對比表明數值模擬具有較好的準確性和可信度，同時，數值模擬結果有助于了解多翼離心通風機內部流動規律，可為多翼離心通風機的改進設計提供參考。
關鍵詞： 多翼離心通風機；內部流場；數值模擬
中圖分類號： TH43 文獻標識碼： B
文章編號： 1006-8155 （ 2008 ） 03-0013-04
Numerical Simulation of Internal Flow Field in Multi-blade Centrifugal Fans
Abstract: The software of CFD Fluent is applied in 3-D numerical simulation of internal flow field in multi-blade fans. The method of SIMPLEC and standard k - e turbulent model are applied in the computation and the numerical simulation results are analyzed. The comparison between numerical simulation results and experimental results demonstrates the better accuracy and reliability of the numerical simulation. In the meantime, the numerical simulation results are very useful for understanding the internal flow pattern in multi-blade centrifugal fans. Besides, it can also give references for improving design of multi-blade centrifugal fans.
Key words : multi-blade centrifugal fan; internal flow field; numerical simulation
0 引言
近年來，隨著計算機軟硬件水平和計算流體力學（ CFD ）技術的飛速發展，更多的湍流模型和計算方法應用于風機內部的三維流動計算中，使人們對風機內部流場有了更深入地了解；而大型商用 CFD 軟件的出現給風機的數值模擬又帶來了更大的便利，使用該軟件對風機內部流場進行全三維的數值模擬，其結果更加真實可信。
多翼離心通風機以其體積小、結構緊湊和低噪聲等優點在國民經濟的各個領域都有著廣泛的應用，并在很多特殊使用場合下被公認為是一種最理想的風源設備。為此，本文針對某型吸油煙機（吸油煙機的主體部件就是多翼離心通風機）采用 Fluent 軟件進行全三維的數值模擬，并對模擬計算結果與試驗結果進行了對比，吻合較好，同時對流場進行了分析。
1 數值模擬1.1 幾何建模和網格劃分
采用 Fluent 軟件的前處理軟件 Gambit 進行幾何建模和網格劃分。吸油煙機主要由多翼離心葉輪、蝸殼和機殼組成，由于蝸殼的不對稱性，不能通過定義周期性邊界條件實施單通道流域計算，應取整機作為計算對象 [1] ，同時考慮到吸油煙機結構的復雜性以及煙機各個部件尺寸的不同，因此將整個計算域分成 4 個互相連接的流體區域：機殼區域（機殼和蝸殼之間的流道）、葉輪進口區域（進風圈與葉輪之間的流道）、葉輪區域（ 60 個前向的單圓弧非扭曲葉片之間的流道）和蝸殼區域（葉輪和蝸殼之間的流道）。
對以上 4 個流體區域的連接面，有兩種處理方法：一種方法是將連接面定義為內邊界 (interior) ，此時就要在幾何建模階段使這個面相鄰的兩個區域共用這個面；另一種方法是將連接面定義為交界面 (interface) ，此時在幾何建模階段，對這個面相鄰的兩個區域分別定義一個面，而這兩個面的幾何位置和形狀是相同的，但擁有不同的名稱和標記，并可采用不同的網格類型。采用第一種方法，在計算中不需要進行任何處理；若采用第二種方法，則在計算中需要通過 Fluent 中的 Define/Grid interface 來實現這兩個面的數據交換 [2] 。
劃分網格時，根據各個流體區域的大小采用不同類型、不同大小的網格（非結構化的三棱體和四面體網格），整個計算域一共劃分了約 70 萬個網格，如圖 1 所示。
1.2 計算參數設定及邊界處理
考慮到所計算的煙機進出口溫度變化不大，同時流速也不高，因此把流動區域的介質看作不可壓縮氣體，采用 SIMPLEC 算法求解速度和壓力的耦合問題。
多翼離心通風機的內部流態是湍流，在計算中采用標準的 k- ε湍流模型，對近壁面區域采用壁面函數法進行處理。也有文獻模擬離心通風機內部流場時用的湍流模型是 RNG k-ε模型[1]和realizable k-ε模型[3] 。
進出、口邊界條件均選定為壓力邊界條件，固壁邊界滿足無滑移條件。
另外，由于多翼離心通風機是旋轉機械，其中葉輪區域是旋轉的，而其它部分是靜止的，因此在計算中要采用多重參照系，葉輪區域作為獨立的區域定義為旋轉參照系，其它流動區域均為靜止的。
計算中在采用標準 k- ε湍流模型的同時，也分別采用 RNG k- ε模型和 realizable k- ε模型進行了計算，并把計算所得的風機的最大流量和截止風壓（簡稱風壓）與試驗測量的數值進行了對比，見表 1 。
表 1 數值結果與試驗結果對比
流量 /(m3 /min)
風壓 /Pa
標準 k- ε模型
15.47
256
RNG k- ε模型
15.53
260
realizable k- ε模型
15.51
259
試 驗
14.83
252
從表1中看出，采用的3種 k- ε湍流模型所得到的結果極為接近，并且與試驗結果也比較吻合，這說明數值模擬的結果是合理的，計算方法是可靠的，同時也說明這3種k- ε模型在計算風機內部流場的結果是可信的。
從表1中同樣看出，數值結果比試驗測量結果偏大，這主要是由于在建模階段對煙機的部分區域進行了簡化處理，導致摩擦損失、輪阻損失和泄漏損失比試驗測量結果偏小的緣故 [4,5] 。
3 流場分析圖2是風機的整機流線圖，從圖中可看出，風機內部的流場非常復雜，尤其是在風機葉輪的進口處。氣流從進氣口進入機殼后，大部分直接進入到旋轉的葉輪中得到加速，而其余的部分則通過蝸殼和機殼之間的區域流入葉輪中，從而在葉輪上方形成了兩個漩渦，這些漩渦的存在不僅影響了風機的氣動性能（如流量、壓力等），而且會帶來一些噪聲的增加，因此風機進氣條件的好壞對這些漩渦的產生發展有著直接的影響，從而影響著風機的性能。
圖 3 和圖 4 給出了風機葉輪截面的壓力分布，從圖中看出，在靠近蝸殼出口處的葉輪通道內的壓力分布與其它部分的葉輪通道內的壓力分布的明顯不同。從總壓分布圖上來看，越靠近葉輪外緣的地方壓力越高。
圖 5 和圖 6 給出了風機葉輪截面的速度分布。就整個葉輪的速度分布情況來看，它與總壓的分布十分類似，也說明了在靠近風機蝸殼出口處的葉輪通道與其它葉輪通道速度分布的明顯不同。速度和壓力在各個葉輪通道分布的不同也正好說明了在計算時，不能采用通過定義周期性邊界條件實施的單通道流域計算的方法，而要進行整機的計算。從速度分布中同樣可以看出，氣流在葉輪外緣處的速度比較大，而且氣流在蝸殼內的速度分布，除了在靠近蝸殼出口處分布明顯不均外，其余部分的分布情況差別不是很明顯。
華北制藥股份有限公司4個循環水工程共有冷卻塔風機16臺，其中L85A型3臺，LF60型3臺，LF47型10臺，其結構示意圖如圖1。其每小時循環水冷卻處理量19100噸，占公司總用水量的96.5%。作為大型化工制藥企業，循環水用量大，水溫要求低。這就決定了冷卻塔風機作為循環水工程中的關鍵設備必須長時間安全連續運行。因此，也就要求必須做好冷卻塔風機的維護與檢修工作。經過對循環水冷卻塔風機15年的使用與維護，總結經驗教訓形成了一套比較有效的維護與檢修方案。
1、減速機的維護與檢修減速機的主要部件是錐齒輪、傘齒輪、斜齒輪及滾動軸承。在負荷的長期作用下，齒輪常發生的失效形式是輪齒工作面磨損和點蝕。齒輪出現磨損或點蝕后，運動精度降低，噪音和振動增大。如果點蝕尺寸大，蝕坑往往成為疲勞源，最終導致輪齒疲勞斷裂。因此每年要對齒輪接觸精度和點蝕情況進行檢查。接觸精度的要求見表1。點蝕坑的尺寸長度不超過齒長的1/3和齒高的1/2。滾動軸承正常的失效形式是滾動體或內外圈滾道上的點蝕破壞。當點蝕破壞發生以后減速機會出現比較強烈的振動、噪聲和發熱現象。由于滾動軸承不宜經常拆卸，并且受到結構和安裝位置所限，對滾動軸承直接檢查比較困難。在停機后盤車，用聽音棒貼住軸承函，仔細聽軸承轉動的聲音，正常軸承轉動的聲音應是清脆、連續、均勻的。如果聲音沉悶、斷續、發卡說明軸承可能存在缺陷，要拆下進一步檢查，確定失效后更換。此外，使用優質的潤滑油并加入適當添加劑有助于延長齒輪、軸承的使用壽命。我公司定期對潤滑油的粘度、酸值、機械雜質等重要指標進行化驗，達不到標準及時更換。并且在L85A 型、LF60型風機減速機中加入了亞米加904潤滑油添加劑，此兩種風機齒輪、軸承的設計壽命為50000小時，自1997年使用至今已連續運行60000余小時，歷次檢查齒輪、軸承都完好。
表1 風機減速機齒輪接觸精度要求 名稱按高度按長度側隙范圍斜齒輪不小于60%不小于60%—70%0.12-0.22mm錐齒輪不小于60%不小于70%0.15-0.35mm2、聯軸器維護與檢修聯軸器直接關系到風機運行的平穩程度。我公司LF47型、L85A 型、LF60型三種類型的冷卻塔風機分別使用了，彈性圈柱銷聯軸器、彈性柱銷聯軸器、膜片聯軸器。這三種聯軸器都起著傳遞扭矩和緩沖減振的作用。其中，彈性圈柱銷聯軸器的橡膠彈性圈、彈性柱銷聯軸器橡膠接頭、膜片聯軸器的彈性膜片都是彈性元件，可以補償軸線的相對位移。由于受到多次啟動沖擊，長期的振動磨損以及腐蝕、老化的影響，彈性元件會失效。因此，每年必須定期間檢查。如果橡膠元件出現老化、磨損，彈性膜片出現倒伏或缺損都要及時更換。另外，在安裝或檢修時，為減小聯軸器不對中的影響，兩半聯軸器的同軸度誤差不超過0.1mm。
3、扇葉與風筒的檢查與調整扇葉與風筒一般都是玻璃鋼材料制作。起抽風、導流作用。由于扇葉由輪轂中的夾塊夾持，經過長時間運轉扇葉可能會圍繞中心轉動，影響平衡引起振動。為此，每年必須要檢查、調整扇葉角度。對扇葉的具體要求見表2。所有扇葉傾角允差不大于0.5°。為了提高風機的效率，扇葉與風筒間保持很小的間隙。由于風筒是玻璃鋼材質剛度較差容易變形，所以大型風機的風筒除了肋筋還有拉筋，控制和調整風筒的圓度。經過長期運行，由于風筒螺栓和拉筋螺栓松動，拉筋磨損、折斷，會引起風筒變形，變形嚴重時，扇葉會蹭到風筒，劇烈摩擦會使扇葉和風筒嚴重磨損，甚至折斷扇葉。因此必須定期檢查、調整風筒的圓度誤差及扇葉與風筒間隙。根據不同的間隙要求，圓度誤差控制在3~5mm。扇葉與風筒間隙要求見表3。另外，要定期檢查風筒拉筋，當銹蝕磨損達到直徑或壁厚的1/3時更換。
表4 扇葉角度 型號LF-47LF-60L-85A角度°8.5±0.512±0.519±0.5表3 扇葉與風筒間隙 型號LF-47LF-60LF-85A間隙mm9-198-3020-354、潤滑油工程的監測與維護 潤滑油是風機的“血液”，存在于減速機、油管、油視鏡內。潤滑油泄漏減速機齒輪將有燒毀的危險。油管一般細而長容易折斷，為此，每年至少要檢查一次油管，當油管有裂口或壁厚減薄1mm時要更換油管。如果減速機使用的是骨架橡膠密封每年要更換一次，如果使用的是機械密封每年要檢查摩擦副的磨損情況，有損壞要更換。風機運行時，由于揮發和滲漏潤滑油會不斷減少，要定時通過油視鏡檢查油位，當油位低于減速機1/2時要及時補充潤滑油，如果潤滑油油位下降過快，要停機檢修。此外，減速機箱應安裝溫度傳感器，在快速漏油未被及時發現時，減速機箱溫度急速上升，應立刻停機，保護減速機內齒輪和軸承。1999年7月一臺LF47型風機，由于未更換壁厚減薄油管，運行中油管斷裂并且未能及時發現，致使減速機齒輪燒毀。直接損失近3萬元，并且還影響循環水工程的運行�？梢姡瑢鋮s塔風機潤滑油工程監測與維護十分必要。
冷卻塔風機是旋轉設備。由于聯軸器同軸度增大，旋轉部件平衡狀態劣化，基礎強度降低，零部件磨損等原因冷卻塔風機的振動烈度會發生變化。根據IS02372《旋轉機械的振動烈度標準》和廠家提供的有關資料，振動速度長期運行不超過6.3mm/s，最大不超過10mm/s。大烈度的振動會使機組的連接螺栓松動，狀況劣化甚至造成零部件失效。2000年10月一臺LF60型風機，由于缺乏對振動的監測，經過長時間振動，地腳螺栓松動，風機發生位移，葉片與風筒摩擦造成葉片與風筒損傷，同時油管被拉斷，由于停機及時才沒有造成更大損失。因此，必須對風機的振動進行監測。當振動值超過標準時，應針對原因進行檢修。另外，所有的螺栓、螺母應有止退措施盡量避免因振動引起螺栓松動發生事故。
6、腐蝕的監測與處理冷卻塔軸流風機都是在室外大氣中工作的。如圖1所示，水汽沿風機扇葉軸向自下而上流動。風機的傳動軸、輪轂、支座以及冷卻塔的鋼結構大都是碳鋼材料，長期與水汽接觸，工作環境潮濕。大氣中含二氧化碳、二氧化硫等氣體與水汽結合，形成酸性電解液，發生吸氧腐蝕。當溶液的酸性很大時，也可能有氫離子的還原反應，發生析氫腐蝕。同時生成紅棕色的三氧化二鐵和綠色的含水四氧化三鐵以及黑色的無水四氧化三鐵。這種腐蝕在華北地區十分嚴重。傳動軸受較大扭矩，受到腐蝕后，截面積減小抗扭轉強度下降，極易發生扭斷事故。支座和鋼結構承受交變載荷以及重力的作用，受到腐蝕后，截面積減小剛度下降，致使風機振動加��；當強度下降到一定程度后，風機、風筒還有傾斜的危險。另外，輪轂腐蝕后會發生質心變化引起不平衡振動。2000年1月一臺LF47型風機，其傳動軸是空心軸。由于腐蝕嚴重和材質不均，空心軸壁局部減薄到0.3mm，啟動時，在啟動扭矩作用下發生扭斷，斷軸飛起將葉片打斷，造成很大損失。因此，對腐蝕的監測與處理是十分必要的。首先，在材質選擇上盡量選擇不銹鋼材料這樣可以減小腐蝕的影響；其次，要定期檢測鋼鐵材料的壁厚，校核剛度、強度，達不到要求時及時加固或更換；再次，對于碳鋼表面必須定期做徹底防腐處理。通過以上措施將會大大降低腐蝕的影響。
近年來通過由于著重落實了以上幾個方面的維護與檢修，風機的完好率達到100%，確保了循環水工程的安全高效運行。經濟和社會效益顯著。
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