磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究*

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司）

0 引言

污水處理工藝中運(yùn)行數(shù)量最多、技術(shù)最成熟的工藝方法是活性污泥法，曝氣鼓風(fēng)機(jī)是該處理工藝的核心設(shè)備，占整個(gè)污水處理廠能耗的50%～60%[1-4]。目前，污水處理廠使用的曝氣鼓風(fēng)機(jī)主要有羅茨鼓風(fēng)機(jī)、低速多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)、齒輪增速單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)及空氣懸浮單級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)5類(lèi)。磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)采用高速電機(jī)直聯(lián)，變頻驅(qū)動(dòng)及調(diào)速，省去了齒輪增速箱及潤(rùn)滑系統(tǒng)，具有無(wú)摩擦、無(wú)需潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)、振動(dòng)可控、噪聲低及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[2-5]，真正意義上實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)無(wú)油的運(yùn)行環(huán)境，是污水處理行業(yè)曝氣鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前高速電機(jī)和變頻器效率已接近當(dāng)前技術(shù)極限水平，唯有提高或保證鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)效率，整個(gè)系統(tǒng)的綜合效率才能提高。本文以我單位GM110型磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)流動(dòng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析葉頂間隙對(duì)葉輪效率的影響，著重研究整機(jī)氣動(dòng)性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果可用于預(yù)測(cè)整機(jī)氣動(dòng)性能及指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

GM110型磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，設(shè)計(jì)點(diǎn)流量80m3/min，排氣壓力75kPa，b2/D2=0.06，長(zhǎng)短葉片共計(jì)18個(gè)，采用整機(jī)模擬，包括葉輪、無(wú)葉擴(kuò)壓器和蝸殼，計(jì)算域網(wǎng)過(guò)采用六面體劃分，見(jiàn)圖1。

圖1 鼓風(fēng)機(jī)網(wǎng)格圖Fig.1 Blower grid diagram

1.2 計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

基于雷諾平均的N-S方程和湍流模型模擬鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣流流動(dòng)，選用與葉輪一起旋轉(zhuǎn)的非慣性坐標(biāo)系來(lái)描述相對(duì)運(yùn)動(dòng)，忽略定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙，不考慮兩者之間的漏氣損失，忽略非定常因素，按定常穩(wěn)態(tài)可壓縮流進(jìn)行處理，采用理想氣體模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[6-11]，速度壓力耦合方式采用SIMPLE算法，差分格式中，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式，速度、湍動(dòng)能和湍流粘性系數(shù)各項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，松弛因子采用默認(rèn)值。

邊界條件給定進(jìn)口總壓、總溫和出口流量，葉片設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)流域以零轉(zhuǎn)速周向旋轉(zhuǎn)，葉片表面、輪轂等壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 整機(jī)運(yùn)行工況性能

半開(kāi)式葉輪，葉頂間隙0.5mm時(shí)，設(shè)計(jì)工況時(shí)整機(jī)流場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。

圖2 級(jí)壓力、馬赫數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of Pressure&Mach

設(shè)計(jì)工況模擬計(jì)算時(shí)，輸出數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，多變效率計(jì)算公式為[12]：

式中，p1,p2分別為級(jí)進(jìn)、出口壓力；T1,T2分別為級(jí)進(jìn)、出口溫度；k為空氣絕熱指數(shù)；Wpol為級(jí)多變壓縮功；Wtot為級(jí)總功耗；M,ω分別為葉輪轉(zhuǎn)矩和角速度；為多變指數(shù)系數(shù)。

表1 模擬計(jì)算輸出數(shù)據(jù)表Tab.1 Output data of simulated calculation

從表1可知，兩種計(jì)算多變效率偏差為1.0%左右，表明該方法模擬鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)氣動(dòng)性能是可行的，為方便計(jì)算以下多變效率采用式（1）。通過(guò)對(duì)多種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)多變效率、壓比隨流量的變化規(guī)律如圖3所示。其中，N表示設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，相對(duì)流量為不同工況下進(jìn)口體積流量與設(shè)計(jì)流量（80m3/min）的比值。

圖3 多變效率、壓比隨流量變化曲線圖Fig.3 Polytropic efficiency,pressure ratio and flow rate curve

從圖3可以看出鼓風(fēng)機(jī)多變效率曲線為拋物線型。當(dāng)流量過(guò)小或過(guò)大時(shí)，由于沖角增大，以及輪阻損失和摩擦損失也會(huì)增大，使效率降低。轉(zhuǎn)速降低最高效率點(diǎn)向左偏移，這與鼓風(fēng)機(jī)實(shí)際工作特性相符；并且發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速最高效率略低于95%轉(zhuǎn)速的最高效率，設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率約為84.7%。

2.2 葉頂間隙對(duì)效率的影響

為了進(jìn)一步提高鼓風(fēng)機(jī)效率，本節(jié)研究葉頂間隙對(duì)半開(kāi)式葉輪效率的影響，分別計(jì)算了葉頂間隙為0（閉式葉輪），0.5，1.0，1.5，2.0mm時(shí)葉輪的多變效率，葉頂間隙與葉輪出口寬度b2的比值稱(chēng)為葉頂相對(duì)間隙，葉頂間隙對(duì)葉輪效率的影響，見(jiàn)圖4所示。由圖4可知，在研究的區(qū)域內(nèi)，隨葉頂間隙的增加，效率下降，下降約7%，葉頂間隙對(duì)葉輪效率有較明顯的影響，為鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)以及合理的裝配間隙提供依據(jù)，條件允許的情況下盡量使用閉式葉輪；間隙從約3.5%到7%內(nèi)變化時(shí)，效率變化最為敏感，其它區(qū)域變化時(shí)效率變化有所減緩。

圖4 葉頂間隙對(duì)葉輪多變效率影響Fig.4 Influence of impeller tip clearance on polytropic efficiency

從圖4可知，葉頂間隙為0.5mm時(shí)，葉輪多變效率約92%，從2.1小節(jié)的級(jí)多變效率84.7%可知，擴(kuò)壓器和蝸殼等靜止部件損失7%左右，下一步將開(kāi)展如何降低擴(kuò)壓器、蝸殼等部件的損失，以及與半開(kāi)式葉輪的匹配問(wèn)題。

3 試驗(yàn)一致性及偏差分析

為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及安裝方便，葉輪與電機(jī)前端軸頭直聯(lián)，推力磁軸承布置于電機(jī)軸后端，徑向磁軸承位于電機(jī)永磁體兩側(cè)，見(jiàn)圖5所示。工作時(shí)轉(zhuǎn)子熱膨脹使葉輪向前移動(dòng)，葉頂間隙變小。因此，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，試驗(yàn)時(shí)葉頂間隙要與模擬時(shí)葉頂間隙一致。

圖5 磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Magnetic suspension blower rotor structure

轉(zhuǎn)子浮起穩(wěn)定，在開(kāi)機(jī)前測(cè)量轉(zhuǎn)子軸頭距一固定點(diǎn)距離；試驗(yàn)時(shí)，調(diào)整工況至設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速及排氣壓力，運(yùn)轉(zhuǎn)至電機(jī)定子繞組溫度穩(wěn)定，快速停機(jī)，再次測(cè)量轉(zhuǎn)子軸頭到該固定點(diǎn)的距離，兩次差值近似為轉(zhuǎn)子的熱膨脹量（約0.60mm）。實(shí)際值略大于0.60mm（按0.60～0.70mm考慮），因此，冷態(tài)安裝時(shí)，葉頂間隙確定為1.20～1.25mm。與模擬狀態(tài)葉頂間隙不確定偏差0.15mm左右，葉頂相對(duì)間隙偏差約1.0%，由圖4可知，在此間隙范圍內(nèi)，葉輪效率相差約1.0%。因此，試驗(yàn)與模擬不確定偏差約1.0%

4 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)采用開(kāi)式出氣試驗(yàn)方法，按照J(rèn)B/T3165-1999標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行測(cè)試，采用安裝在出口管路中的標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量流量，進(jìn)口壓力、溫度測(cè)點(diǎn)在磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)橇裝箱體內(nèi)，出口壓力、溫度測(cè)點(diǎn)在鼓風(fēng)機(jī)排氣口法蘭處。

除流量外，其它參數(shù)均由磁懸浮高速鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)采集顯示，如圖6所示。

測(cè)試多變效率、壓比隨流量的變化曲線見(jiàn)圖7所示，同時(shí)顯示了模擬計(jì)算的性能曲線。從圖7可以看出，測(cè)試壓比曲線與模擬計(jì)算壓比曲線約在95%流量處有交點(diǎn)，小于此流量時(shí)，模擬計(jì)算壓比小于測(cè)試壓比，有負(fù)偏差，且隨流量的減小，壓比偏差逐漸變大；大于此流量時(shí)，模擬計(jì)算壓比大于測(cè)試壓比，有正偏差，且隨流量的增加，壓比偏差逐漸變大，在研究的區(qū)域范圍內(nèi)，正負(fù)偏差均小于1.0%。測(cè)試效率曲線與模擬計(jì)算效率曲線同樣有交點(diǎn)，小于此流量時(shí)，計(jì)算效率大于測(cè)試效率；大于此流量時(shí)，計(jì)算效率小于測(cè)試效率，出現(xiàn)此現(xiàn)象可能的原因是試驗(yàn)測(cè)試狀態(tài)存在葉頂間隙泄漏，以及鼓風(fēng)機(jī)與外界存在熱交換，小流量時(shí)葉頂間隙泄漏占主因，使排氣溫度升高，而多變效率降低；大流量時(shí)熱交換占主因，使排氣溫度下降，而多變效率升高，但偏差均在1.0%左右，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果十分吻合，也充分地驗(yàn)證了模擬計(jì)算方法的有效性和模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)Fig.6 Operating system of magnetic blower

圖7 鼓風(fēng)機(jī)測(cè)試性能曲線Fig.7 Experimental performance curve of blower

5 結(jié)論

本文對(duì)某型磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)整機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行了模擬計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，主要結(jié)論如下：

1）模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果十分吻合，多變效率、壓比偏差均在1.0%左右，驗(yàn)證了模擬計(jì)算方法預(yù)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的有效性和準(zhǔn)確性。

2）半開(kāi)式葉輪葉頂間隙對(duì)效率有明顯的影響，且存在敏感間隙區(qū)域，可在敏感區(qū)域內(nèi)選擇實(shí)際裝配間隙值，條件允許時(shí)，盡量采用閉式葉輪提高效率。

3）從模擬計(jì)算結(jié)果看，整機(jī)效率比葉輪效率降低約7%，即擴(kuò)壓器、蝸殼等靜止部件效率損失約7%，降低擴(kuò)壓器、蝸殼等靜止部件的損失可作為提高整機(jī)效率的另一個(gè)途徑，有待下一步工作開(kāi)展。