離心風機進口間隙泄漏數(shù)值模擬分析

信息來源：發(fā)布時間：2021-03-08閱讀：454

摘要:使用 CFD 數(shù)值計算軟件對一 5.6 號離心風機進風口與葉輪徑向間隙(徑向間隙 δ r 與葉輪直徑 D2 比值)分別為 1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和 4mm(0.71%)時的整機進行三維數(shù)值模擬，并且與葉輪和進風口沒有間隙的離心風機數(shù)值模擬結果進行對比。分析間隙對內(nèi)部流場的影響，總結得到該離心風機全壓、內(nèi)功率和內(nèi)效率隨間隙變化情況

0 引言

離心風機是工業(yè)生產(chǎn)部門使用非常廣泛的機械設備，在冶煉、石油和化工等領域發(fā)揮著重要作用。其能否安全、經(jīng)濟的運行直接關系著各個生產(chǎn)部門的經(jīng)濟效益。離心通風機中的損失可分為流動損失、泄漏損失、輪阻損失和機械損失等。為了保證高速旋轉的離心通風機旋轉的可靠性，進風口和葉輪之間要有一定的間隙，由于存在這一間隙，氣體經(jīng)過葉輪前蓋與進風口之間的泄漏形成循環(huán)流動，使葉輪對這部分流體的做功均被損失掉。這種損失被稱為內(nèi)泄漏損失。

一般經(jīng)驗認為，進風口與葉輪之間的徑向間隙越小，內(nèi)泄漏損失會越小，故在制造工藝和安全運行的條件許可下，間隙應盡可能小。但是由于制造工藝和加工成本的限制，間隙過小可能有較大的制造困難，所以要在兼顧多種因素的情況下，找到最佳的徑向間隙量。

本文以某一高效離心風機（機號 5.6 號）為模擬對象，使用三維造型軟件對進風口與葉輪徑向間隙(δr/D2)分別為 1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和 4mm(0.71%)時的離心2風機整機建模，對建模后的整機劃分網(wǎng)格，再使用 CFD 數(shù)值計算軟件對整機進行數(shù)值分析，最后對計算結果進行對比分析，得到不同間隙對該機號風機的全壓、內(nèi)功率和效率的影響，總結得到不同間隙對間隙內(nèi)泄漏損失的影響。同時得到該機型的最佳的徑向間隙。2 不同徑向間隙離心風機整機 CFD 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

使用三維造型軟件 UG 對進風口與葉輪徑向間隙(δr/D2)分別為離心風機整機建模，圖?表示的為間隙 1??時的二維圖。建模時將整機分為?個區(qū)域，分別為進風口、葉輪、葉輪和進風口之間的間隙、以及機殼部分。

圖 2 表示三維數(shù)值計算模型和網(wǎng)格，計算網(wǎng)格使用分塊四面體網(wǎng)格，由建模的 4 部分組成。其中，間隙和葉輪部分設計為旋轉網(wǎng)格。近壁面以及間隙部分網(wǎng)格加密處理，離心通風機整機網(wǎng)格總數(shù)為 230 萬。

2.2 CFD 數(shù)值計算方法

在 CFD 數(shù)值計算中,使用 K-?湍流模型求解相對坐標系下守恒形式的三維 Navier-stokes 方程?？臻g項采用有限體積中心離散方法[5]。采用四階 Runge-kutta 法時間推進以獲得定常解。為了加速收斂，采用多重網(wǎng)格法。

數(shù)值模擬的邊界條件為：進口給定速度條件，根據(jù)不同流量給定不同的進口速度；出口為自由出口條件；葉輪給定旋轉速度.

2.3 內(nèi)部流場分析

圖 3 表示的是間隙為 4mm 時間隙中的速度分布，可以很明顯的看到，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時間隙對氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。通過間隙進入葉輪的氣流再次和葉輪中的主氣流混合。這與一般

的理論分析是一致的，葉輪對氣體的做功的一部分消耗在了間隙內(nèi)的循環(huán)上。

圖 4 和 5 分別表示的是沒有間隙和 3 種不同間隙時蝸殼中截面的總壓分布。對比圖 4 和 5可以得到，沒有間隙時的蝸殼中的總壓比有間隙時要明顯大，而且渦的分布也比有間隙時少。這就表明間隙會明顯減小風機的做功能力。隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。這也表明間隙泄漏對蝸舌部位的氣流影響較大。

2.4 不同間隙時的全壓和內(nèi)效率比較

圖 6 和 7 分別表示的是葉輪進口沒有徑向間隙和徑向間隙與葉輪直徑比值(δr/D2)分別為數(shù)值模擬的流量和全壓曲線以及流量和內(nèi)效率曲

線。從兩張圖可以很明顯的看出，隨著間隙的增大，在全流量工況，全壓和內(nèi)效率都有明顯的下移。

從圖 6 可以看出，在小流量區(qū)域，隨著間隙的增大，雖然全壓有一定的降低，但是降低的不是很明顯，而且在全壓降低到一定程度以后，基本不再降低；然而在大流量區(qū)域，壓力降低的比較明顯。這就說明在小流量區(qū)域，間隙的大小對全壓的影響較小；在大流量區(qū)域，

間隙的大小對全壓有較大的影響。這和理論分析的結果是一致的。

從圖 7 可以看出，和沒有間隙時的理想情況比，徑向間隙會明顯的降低整機的內(nèi)效率，隨著 δr/D2的增大，在小流量區(qū)域，內(nèi)效率變化不是很明顯；在大流量區(qū)域，內(nèi)效率下降的比較明顯。在大流量區(qū)域，δr/D2 為 0.18%時，內(nèi)效率和沒有間隙時的情況比較接近，并且 δr/D2為 0.36%和 0.54%時內(nèi)效率比較接近，而當 δr/D2 為 0.71%時，效率又有比較明顯的下降。

對于該 5.6 號的風機，一般情況下做到 δr/D2為 0.18%要求比較高，實現(xiàn)起來既耗費時間又增加成本，但是同時又不希望效率降低過大，由于 δr/D2 由 0.36%增加到 0.54%時內(nèi)效率變化較小，所以該型風機最佳的徑向間隙量 δr/D2 為 0.54%，這與經(jīng)驗公式要求的一般間隙約為 0.5%D2的要求是相符合的。

3 結論

1）使用 CFD 數(shù)值計算軟件對一 5.6 號高效離心風機進風口與葉輪徑向間隙(δr/D2)分別為時的整機進行三維建模和數(shù)值模擬，并且與沒有間隙時的數(shù)值模擬結果進行對比。結果表明，蝸殼中壓力較高的流體經(jīng)過間隙重新流回葉輪，同時間隙對氣流又產(chǎn)生了節(jié)流作用，氣流的速度快速增加，并且在間隙處產(chǎn)生了渦流。

2）不同間隙時蝸殼中截面的總壓分布表面，隨著間隙的增大，蝸舌區(qū)域總壓會明顯降低，也會出現(xiàn)明顯的渦流。間隙泄漏對蝸舌部位的氣流影響較大。

3）隨著間隙的增大，在全工況內(nèi)，全壓和內(nèi)效率都會減小。在綜合考慮制造成本和徑向間隙對內(nèi)效率的影響，得到該機型最佳的徑向間隙與葉輪直徑的比值 δr/D2為 0.54%。