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  1 引言 本文從蝸殼的功能入手，研制了無蝸殼箱體風(fēng)機(jī)。與常規(guī)箱體風(fēng)機(jī)相比，無蝸殼箱體風(fēng)機(jī)不僅制作簡單，而且還節(jié)約空間，降低成本。這就給設(shè)計人員提出了一個新課題。 2 理論分析 蝸殼的作用：機(jī)殼的任務(wù)是將離開葉輪的氣體導(dǎo)向機(jī)殼出口,并將氣體的一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓。蝸殼中不同截面處的流量是不同的,在任意截面處,氣體的容積流量與位置角φ成正比。一般氣流在蝸殼進(jìn)口處是沿圓周均勻分布，因此在不同φ角截面上的流量qvφ可表示為qvφ=qv4（φ/360°）。qv4為蝸殼進(jìn)口處流量，通常蝸殼中速度變化不大，氣體密度可認(rèn)為是定值。若蝸殼的型線能保證氣體自由流動，這時蝸殼壁對氣流就不會發(fā)生作用，那么在不考慮粘性情況下，氣體在蝸殼內(nèi)的運(yùn)動將遵循動量矩不變定律，即 cuR=常數(shù)。 經(jīng)分析得知，氣體最多6次被蝸殼碰撞導(dǎo)至出口，蝸殼很好地收集了氣體。并且氣體在葉輪流向蝸殼時容積變大，一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓。 離心通風(fēng)機(jī)的主要功能是完成氣體的輸送，若無機(jī)殼就不可能實現(xiàn)這一功能，無蝸殼也不可能很好地實現(xiàn)葉輪的功效。 3 對比試驗 普通風(fēng)機(jī)與無蝸殼箱體風(fēng)機(jī)的對比，標(biāo)準(zhǔn)4-79-13№7A風(fēng)機(jī)及把該葉輪裝入尺寸為1020&imes;1020&imes;880箱體1中的性能對比見表1。 表1 結(jié)構(gòu) 4-79-13№7A 4-79№7A葉輪+箱體1 工況點(diǎn) 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 1 12609 1668 80.5 16094 769 49 2 14134 1629 82.0 17346 649 45 3 15592 1609 83.0 18861 532 40 4 17117 1550 84.2 19880 444 36 5 18590 1491 85.5 20334 356 29 6 20071 1452 84.9 21203 245 25 7 22317 1236 83.0 21803 179 17 8 24564 1001 78.5 22402 109 11 同一個葉輪裝了兩種不同的箱體的對比，見表2。 表2 結(jié)構(gòu) 葉輪1+箱體1 葉輪1+箱體2 工況點(diǎn) 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 1 15545 694 34.2 15287 961 52 2 16285 590 29 16274 924 51 3 19114 417 22 19192 737 41 4 23112 121 7.1 22392 546 32 同一個箱體配兩種不同葉輪的對比，見表3。 表3 結(jié)構(gòu) 葉輪2+箱體1 4-79№7A葉輪+箱體1 工況點(diǎn) 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 流量/(m3/h) 全壓/Pa 全壓效率/% 1 11316 1374 50.9 16094 769 49 2 14526 1263 55 17346 649 45 3 16952 1085.5 53.5 18861 532 40 4 19179 880 47.7 19880 444 36 5 20829 710.5 42 20334 356 29 6 22150 546 34 21203 245 25 7 23322 434 28 21803 179 17 8 24654 242.4 17 22402 109 11 箱體與葉輪裝配見圖1和圖2。其中箱體均由鋁型材框架和夾心面板制成。六面體只有一面敞開，它強(qiáng)制氣流從一個方向流出，并有消聲作用。它與常規(guī)箱體機(jī)相比，其制作簡單，節(jié)約空間，降低了成本。圖中1020&imes;1020&imes;880為箱體1；1060&imes;1027&imes;880為箱體2。   結(jié)論   （1）后向式葉輪直接裝進(jìn)箱內(nèi)形成的箱體風(fēng)機(jī)，由于箱體內(nèi)無蝸殼導(dǎo)流，從表1～表3中看出整機(jī)的全壓效率都很低；同一葉輪在不同風(fēng)箱時，箱體的大小影響風(fēng)機(jī)的全壓效率，箱體越接近蝸線效率越高；同一箱體的葉輪型線直接影響風(fēng)機(jī)的全壓效率，但在不同葉輪的最高效率點(diǎn)處，流量大致相同。 （2）從結(jié)構(gòu)上看，這種箱體風(fēng)機(jī)的進(jìn)口處于自由吸氣狀態(tài)，若能在箱體內(nèi)加上類似蝸線導(dǎo)流板，該箱體風(fēng)機(jī)的性能一定近似于常規(guī)離心通風(fēng)機(jī)且效率較高。當(dāng)然導(dǎo)流板得有消聲功能才有意義，其次進(jìn)出氣流方向只可互成90°以及不利用雙進(jìn)氣風(fēng)機(jī)也是風(fēng)機(jī)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不足，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇提出了新的要求；另一方面葉輪中心與箱體的相對位置對性能的影響也是下一步的工作重點(diǎn)。箱體風(fēng)機(jī)的效率直接影響客戶的運(yùn)行成本。在能源緊張的今天,客戶投資考慮的重點(diǎn)也轉(zhuǎn)移到運(yùn)行成本上，若能采用這種箱體風(fēng)機(jī),受益者將不僅是投資者。    

摘要：通過用SIMPLE算法編制的程序?qū)﹄x心引風(fēng)機(jī)在不同工況時流場的數(shù)值模擬，分析了流場與引風(fēng)機(jī)葉片積灰的特性，從而得出了離心引風(fēng)機(jī)負(fù)荷對積灰的影響的結(jié)論。 1引言 在電站、石油、冶金、化工及城市供熱鍋爐的運(yùn)行過程中，引風(fēng)機(jī)葉片由于各種原因不可避免地發(fā)生積灰，因此葉片積灰是一個普遍而又十分值得研究和處理的問題，也是生產(chǎn)現(xiàn)場中的一大難題。引風(fēng)機(jī)葉片上沉積物的存在會造成葉輪的不平衡和振動，致使軸和軸承上的負(fù)荷增加，引風(fēng)機(jī)的電流也會增加，嚴(yán)重時還會引起風(fēng)機(jī)和電機(jī)的地腳螺栓斷裂，造成軸和軸承及葉輪等其它的零部件損毀，更嚴(yán)重時會引起引風(fēng)機(jī)飛車事故 [1]。本文從流場角度分析了某熱電廠引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷對其葉片積灰的影響，為生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)整運(yùn)行方式和改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)。 物理描述 2.1 現(xiàn)象描述 引風(fēng)機(jī)在額定負(fù)荷運(yùn)行時，氣流進(jìn)入引風(fēng)機(jī)葉片流道的角度與葉片的進(jìn)口安裝角相當(dāng)，這時氣流的沖擊角為零，氣流沒有沖擊平滑地流入葉片通道。當(dāng)引風(fēng)機(jī)低于額定負(fù)荷運(yùn)行時，由于進(jìn)口速度方向的改變，氣流沖擊角小于葉片的進(jìn)氣安裝角而形成了正沖擊角；葉片的非工作面將出現(xiàn)邊界層氣流的分離和氣流的回流，而且在非工作面上形成了漩渦且沿著葉片的徑向方向發(fā)展，最終使葉片在非工作面上產(chǎn)生積灰[1-4]。 2.2 模擬對象 以某熱電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)為模擬對象，其結(jié)構(gòu)如表1，在模擬過程中不考慮葉片厚度的影響。 　　　　　　　　　　　　　表1風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 型　號 Y4-73-11№20D 葉輪出口直徑/mm 2000 轉(zhuǎn)速/(/min) 960 葉輪進(jìn)口直徑/mm 1460 出口壓力/kPa 4.5 進(jìn)口安裝角/(°) 16 葉片數(shù)/個 12 出口安裝角/（°） 45 流　量/(m3/h) 178010 葉輪寬度/mm 700     3  數(shù)學(xué)描述 3.1 控制方程 原則上氣流為氣固兩相流動，但實際上由于顆粒在氣流中的份額很少而對氣流的影響可以忽略，所以采取單相介質(zhì)模型。氣流在葉片流道中流動，在采用相對直角旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖如圖１所示，可近似地認(rèn)為是二維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體的流動，應(yīng)用修正的κ-ε湍流模型，則流體的控制方程的統(tǒng)一形式為        3.2 邊界條件    進(jìn)口邊界條件——進(jìn)口速度可根據(jù)流量和速度三角形來共同確定，湍動能按進(jìn)口0.5%(u2+v2)給定，而耗散率按0.1%的湍動能給定[6]。    出口邊界條件——出口處的壓力為4.5kPa，沿流線的一階偏導(dǎo)數(shù)為零，并且遵循質(zhì)量守恒定律。    壁面邊界條件——按壁面函數(shù)法確定[7]。 4 數(shù)值計算 由于流體流動的通道形狀不規(guī)則，為此采用貼體坐標(biāo)系，利用Vinko[8]將物理平面網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為計算平面網(wǎng)格；坐標(biāo)變換后的通用控制方程為                                   按給定的壓力場求解出的速度場未必能滿足連續(xù)性方程，所以在得出速度場后應(yīng)對壓力場進(jìn)行修正，壓力修正后可重新求得速度場，最終可導(dǎo)得壓力修正方程和速度修正方程分別為:            采用交錯網(wǎng)格的方法對整個區(qū)域進(jìn)行40&imes;20網(wǎng)格劃分，采用冪函數(shù)方案作為對流擴(kuò)散方式，采用SIMPLE方法[9]對流場進(jìn)行計算，最后可得到流場的數(shù)值解。圖2和圖３為在不同工況時的流場數(shù)值解，D代表引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的額定負(fù)荷。  文獻(xiàn)提供的試驗數(shù)據(jù)在額定負(fù)荷時的對比，數(shù)據(jù)位置在風(fēng)機(jī)葉片徑向的1/3，2/3處，通過對比發(fā)現(xiàn)程序和模型有較高的準(zhǔn)確性。可作為流場的預(yù)報有效工具。 5 結(jié)果分析 根據(jù)對計算流場的分析可得知，引風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷時，由于流體流動方向幾乎與葉輪通道進(jìn)口安裝角一致，而相對速度流場分布比較均勻，在非工作面壁面上，由于離心力和哥氏力及介質(zhì)粘性的影響，有氣體分離和在貼壁處薄層存在少量回流，相對總壓分布也十分均勻，這幾乎對葉片的積灰沒有影響；隨著負(fù)荷的不斷下降，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處沒有設(shè)置預(yù)旋裝置的情況下，進(jìn)口速度發(fā)生偏離且和葉輪通道的進(jìn)口安裝角形成一個差角，從而流動主流區(qū)逐漸向工作面方向偏移，在葉片的非工作面及附近區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)域而出現(xiàn)較大區(qū)域的分層和氣流漩渦及回流，并且在葉片的非工作面上的范圍在徑向不斷擴(kuò)大，在與非工作面垂直方向上也逐漸擴(kuò)展，負(fù)壓區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。隨著負(fù)荷的不斷下降，這種現(xiàn)象更加明顯并將會布滿整個葉片范圍，這是因為離心力隨半徑的增加而增大的緣故。從圖中可以看出，在引風(fēng)機(jī)負(fù)荷為80%以下時，氣流的分離，漩渦及回流比較顯著；隨著負(fù)荷的不斷下降，這種現(xiàn)象更加明顯和突出。由于漩渦，回流和氣流分離，加上這些區(qū)域的流速不是很大，低速區(qū)域隨負(fù)荷的不斷下降而逐漸擴(kuò)大，因而使氣流攜帶粉塵的能力下降，且增加了氣流在葉片非工作面及附近區(qū)域的停留時間，再加上離心力和哥氏力的綜合影響，粉塵更容易沉積在葉片的非工作面上并且隨著負(fù)荷的降低而不斷擴(kuò)大，葉片積灰也越嚴(yán)重。所以看出引風(fēng)機(jī)負(fù)荷是影響葉片積灰的重要因素之一。 6 結(jié)論      通過某熱電廠Y4-73-11№20D引風(fēng)機(jī)的流場的數(shù)值分析，對其不同工況時流場和積灰的分析，在風(fēng)機(jī)負(fù)荷將到80%時，葉片非工作面上有明顯的積灰存在；當(dāng)引風(fēng)機(jī)負(fù)荷將到60%時，積灰比較嚴(yán)重；無論是在現(xiàn)場的長期運(yùn)行中還是在進(jìn)行負(fù)荷試驗的過程中都發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引風(fēng)機(jī)負(fù)荷將到65%時已出現(xiàn)特別明顯的積灰并且振動，必要時須清灰；上述情況與數(shù)值分析結(jié)果較為一致。由數(shù)值模擬的結(jié)果可知，為了保證引風(fēng)機(jī)不產(chǎn)生積灰和振動而安全穩(wěn)定運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)不低于80%為宜。