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车间负压风机集流器形式对轴流式风机性能影响的研究风机节能 领
摘要：采用CFD数值模拟方法研究了不同结构形式集流器对大型轴流式风机性能的影响。计算得到了风机压升和效率随流量变化的性能曲线，对比分析了不同结构形式集流器对风机性能影响的原因，为合理设计与选择集流器形式改善风机性能提供了依据。
关键词：轴流式风机；集流器；性能
0 引言
集流器是风机的重要辅助部件，与流线罩一起组成渐缩形流道，使气流在此加速，在风机的进口前建立起均匀的速度场和压力场，以降低流动损失提高风机效率。集流器中气体流速不大，管长比较短，本身流动损失不大[1]，一般情况下可以满足进口条件的均匀流场并保证效率。集流器形式会影响风机性能，设计良好的集流器流动损失较小，而设计不合理会使进口条件恶化，导致性能[2]下降。目前对于集流器的研究主要集中在试验分析[3]小型轴流式风机的数值模拟[4-8]，而对于大型风机研究不多。本文以某大型轴流式风机为例，改变集流器形式在整机条件下进行数值模拟，对比分析不同形式集流器对风机性能影响的原因。
风机集流器最常用的有三种形式：圆筒形、圆锥形和圆弧形。在集流器出口截面面积相同的条件下，采用与圆弧形相同的曲率设计了喷嘴形。四种形式集流器形状见图1。
1计算模型及数值计算
1.1计算模型与网格划分
计算模型采用的某大型轴流风机由集流器、流线罩、叶轮、后导叶、扩散筒等组成。该风机的轴流级由动叶片和后导流叶片组成，叶轮进口前方安装了支撑架结构。计算模型见图2。气流由集流器进入，通过流线罩和前支架进入叶轮，获得能量后由扩散筒流出。风机基本参数见表1。整个计算域从集流器进口到扩散段出口，并在其后延长了一段距离。通过计算确定延长两个风机长度可以保证没有回流，使计算出口处流动达到稳定。
风机结构复杂并且叶片形状不规则，生成结构化网格比较困难，相反非结构化网格适应能力强，在处理复杂结构时有利于网格的自适应。计算选用四面体非结构化网格，流场区域采用HyperMesh生成面网格，由T-Grid生成体网格，建立网格模型。在流动状态复杂部位、叶顶间隙与叶片尖部进行了网格加密，整个计算区域划分为进口段、叶轮段和出口段，其中叶轮区域为动区域，进口和出口两段为静止区域。计算网格面网格数为120万，体网格数在1600万左右。近壁区域边界层划分了5层，总厚度在15mm左右，壁面网格分布的Y+值在10～200范围内。
1.2数值求解方法
流动计算采用FLUENT软件，选择设计转速下的不同流量进行计算，进口流量分别取为80%、90%、100%、110%的设计流量。旋转叶轮和静止部件之间流动采用多参考坐标系法(MRF)耦合。动静子区域交界面设为interior，在此处交换惯性坐标下的流动参数，保证界面参数的连续性。
计算域进出口气流方向均为轴向，进口给定质量流量进口，出口设为压力边界条件，定义出口压力相对大气压力为0。叶轮和机壳与流体接触区域的固体壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数，忽略重力。设定湍流模型为Realizablek-epsilon，进、出口的湍流度和湍流粘度比分别为1%和10。
计算采用隐式分离、SIMPLE压力速度耦合方法进行，计算时先用一阶迎风格式得到初值，然后改用二阶迎风格式得到更高精度的解。计算在512核刀片服务器上进行，使用了24核CPU并行计算，计算全部完成时间大约为300h。整个迭代过程监控控制方程残差和风机进、出口面流量差与总压差的变化，达到数值收敛和物理收敛后停止计算。
2计算结果对比与分析
2.1风机压升随流量变化比较
风机整体性能参数选取压升和效率进行对比分析。此处压升主要考虑风机进出口截面上的静压之差即静压升和全压之差即总压升，压升代表了单位体积气体在风机内所获得的能量。
图3给出了风机静压升随进口流量变化曲线。由图可以看出，圆筒形和喷嘴形静压升差距较大，在设计点处大约相差15%，这是由于圆筒形形状规则静压损失较小，喷嘴形气流紊乱，损失较大。圆弧形和圆锥形静压升非常接近，这两种形式的形状特点决定了其损失比圆筒形大但比喷嘴形损失小，所以处于中间位置。
图4给出了总压升随进口流量变化曲线，前三种形式的集流器总压升差距不是很大，而采用喷嘴形集流器时总压升明显下降，在设计点位置大约下降10%。
为了分析总压升变化差距的原因，在图5中给出了集流器出口总压沿径向分布曲线。从图中可以看出，从流线罩到机壳外壁的半径方向上，圆弧形、圆锥形和圆筒形在近流线罩一侧总压接近，只有在靠近机壳外壁附近由于收缩段的影响总压依次下降，但是总的积分值差距不会很大。喷嘴形集流器在径向总压变化幅度很大，造成该截面上积分值比前三种减小使总压损失增大。
2.2风机总压效率随流量变化比较
总压效率即全压有效功率与内功率之比，它表征了风机内部流动过程的好坏，是风机设计的重要指标。
图6给出了风机总压效率曲线。由效率分布曲线可以看出，前三种形式的集流器在各工况下比较接近，但仍然可以看出圆弧形要比圆锥形好一些，圆筒形效率更低一些。采用喷嘴形时效率下降幅度较大，造成性能变差。
为分析效率差距的原因，在图7中给出了集流器出口速度沿径向分布。从图中可以看出从流线罩到机壳外壁的半径方向上，圆弧形、圆锥形在近流线罩侧速度基本一致，而在近机壳外壁侧由于收缩段的影响速度增大；圆筒形在近流线罩一侧速度值稍大，在近机壳外壁侧没有增大直接下降为零；喷嘴形在近流线罩侧与圆筒形类似，但是在靠近机壳外壁附近，由于收缩扩张管道的影响使速度分布跳动很大，流动损失较大从而使效率最低。
为进一步分析集流器出口截面速度分布状况，引入速度分布不均匀度来进行比较。截面上速度分布不均匀度定义为该截面上所有点速度均方根值与平均值之比，即
应用上式分别计算集流器出口处速度不均匀度数值见表2。由表中可以看出前三种形式速度不均匀度差距不大，而喷嘴形速度不均匀度数值明显增大，说明喷嘴形集流器使气流不平稳，造成流动损失最大。
对于总压效率变化的比较还可以从子午面内速度分布来分析。图8给出了集流器在子午截面内的速度等高线图，因为对称性只截取了一半的图形，上侧为风机机壳壁面，下侧为流线罩壁面。由图可以看出速度分布总趋势为在流道中央速度低，近壁面区域速度高。对不同集流器形式而言，圆弧形分布最均匀速度梯度变化不大，圆筒形和圆锥形其次，喷嘴形最差，这也与速度不均匀度值相符。其中喷嘴形在近壁面处速度梯度很大，并在集流器与机壳连接拐角处有较大的流动损失，从而使其效率最低。
3结论
集流器形式对风机整机性能有影响。常用的圆弧形、圆锥形和圆筒形三种形式对于压升影响差别不是很大，总压效率大体上以圆弧形最高，圆锥形其次，圆筒形最差。而本例所采用的喷嘴形则在压升和总压效率两个方面大幅下降，通过分析集流器出口截面总压、速度径向分布以及速度不均匀度几个方面可以发现造成该种形式总压效率下降的一些原因。
参考文献
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[2]梁亚勋,李景银,田华轴.流风机静止部件的流动和损失对比[J].西安交通大学学报，2008,42(3):269-272.
[3]钱建美,朱正林.集流器对轴流风机性能影响的试验研究[J].能源利用与研究，2003(5):24-25.
[4]丁伟,靳军,南向谊.集流器对后置导叶式轴流通风机性能的影响[J].风机技术，2007(3):16-18.
[5]庄镇荣.集流器对前向多翼离心通风机气动性能的影响分析[J].风机技术，2002(3):14-15.
[6]王嘉冰,区颖达.集流器结构对多翼离心风机性能影响[J].流体机械，2004,32(10):22-25.
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[9]张玉成,仪登利,冯殿义.通风机设计与选型[M].北京:化学工业出版社，2011.
有关统计资料显示，全国在用风机产品的用电量约占全国发电总量的10%。其中，金属矿山使用的风机用电量占全国采矿用电总量的30%；钢铁工业使用的风机用电量占其生产用电总量的20%；煤炭工业使用的风机用电量占全国煤炭工业用电总量的17%。因此，对于风机行业来说，如何生产出更节能、环保的风机产品，是一个需要高度重视的问题。业内人士认为，节能和环保是风机行业发展的永恒主题。那么，风机生产企业究竟该从哪里着手呢？
有关专家认为，研发节能风机产品，既要从产品设计着手，又要从风机的运行着手。
首先，在设计方面，通过应用叶轮、蜗壳等元件的科研成果，以及进一步提高制造精度，力求使各种通风机的效率平均提高5%～10%。目前，最先进的离心式通风机由于采用了三元流动叶轮，其最高效率可达87%以上；效率较高的轴流式通风机，其最高效率已达92%。
例如，沈阳鼓风机研究所于1992年为中低压离心通风机更新换代而开发成功的4-71、4-74三元流动叶轮离心通风机就属于高效节能新产品，其效率比同类型的老式风机提高4%，平均每台风机年节电量约为每小时2000千瓦。但由于该风机使用的三元流动叶片制造工艺比较麻烦，制造成本比普通叶片风机较高，再加上该产品技术转让费高，使整台风机制造成本加大，用户无法承受，也就无法在全行业全面推广。
其次，利用引进技术开发高效节能风机。例如，上海鼓风机厂有限公司和沈阳鼓风机（集团）有限公司分别引进了德国TLT和丹麦诺文科公司的动叶可调轴流通风机技术；成都电力机械厂和沈阳鼓风机（集团）有限公司引进了德国KKK公司的静叶可调轴流通风机技术；武汉鼓风机有限公司引进了日本三菱重工的动叶可调轴流通风机技术；广州风机厂引进了丹麦诺迪斯克通风设备公司的轴流和离心通风机技术；重庆通用（集团）有限公司和四平金丰股份有限公司引进了英国豪登公司的高温风机技术；石家庄风机厂有限责任公司引进了日本荏原公司的离心通风机制造技术。通过引进技术，有力地促进了节能通风机产品的开发。"十一五"期间，还应根据市场的需求，适当引进风力发电机组技术及特殊用途风机，填补国内的空白。
此外，风机产品节能与否，调整变速机构，改变运行工况十分重要。目前，大多数的风机变速机构比较落后，个别产品采用传统的三角皮带、蜗轮副等作为调速装置，大部分还是采用调节门调节。由于上述原因，尽管有的风机内效率较高（达86%以上），但其装置效率并不甚高，有的甚至低至30%。随着液力耦合器和变频器在风机中的应用，大大提高了风机的运行效率，但应用的数量极其有限。
与此同时，"十一五"期间还应大力开展节能型鼓风机的研制工作，在这方面国外已经走在了前面。如日本对蜗壳及叶轮等通流部分的形状做了适当的改进，有效地防止了涡流及流动分离的产生，其绝热效率比原来的离心鼓风机提高5%～10%；瑞士制造的大流量离心式鼓风机，每级均设有进口导叶装置，其多变效率达82%；日本制造的多级离心鼓风机，采用进口导叶连续自动调节后，节能率达20%；高速单级离心式鼓风机采用高转速、高压比半开式径向三元叶轮后，其效率可提高10%；还有的在鼓风机主轴的另一端设有尾气透平装置，既符合环保要求，又达到了节能目的。罗茨鼓风机已采用了三叶罗茨鼓风机，既节能又降低了噪声。
在离心式压缩机的开发方面应更多地采用三元流动叶轮，使叶轮效率平均提高2%～5%。如美国研制出的天然气管线输送离心压缩机的三种大流量三元流动叶轮，叶轮效率可达94%～95%；日本的单轴多级离心式压缩机的效率水平也进一步提高，其首级的大流量半开式三元叶轮的绝热效率达94%。其调节方式应更多地采用工业汽轮机或燃气轮机驱动，以改变转速来达到节能的目的。
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