大型高效離心通風(fēng)機(jī)支撐管優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡春佳

摘 要：在當(dāng)前的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)中，離心通風(fēng)機(jī)受到各個(gè)企業(yè)的廣泛使用，同時(shí)該設(shè)備也是影響國民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)影響因素，除此之外，也是耗能設(shè)備的一種。當(dāng)前，我國節(jié)能減排發(fā)展理念不斷提升，但在發(fā)展的背景下和風(fēng)機(jī)的使用過程中，整體風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低下，且耗能較大。因此，相關(guān)部門要重視起對離心式風(fēng)機(jī)的改造和創(chuàng)新以及對工作效率的提高，節(jié)能減排的發(fā)展理念有著一定的意義?；诖耍疚木皖}目中相關(guān)內(nèi)容展開分析，研究分析大型離心通風(fēng)機(jī)支撐管結(jié)構(gòu)對風(fēng)機(jī)性能的影響。

關(guān)鍵詞：離心通風(fēng)機(jī);數(shù)值模擬;風(fēng)機(jī)性能;安全性;支撐管布局優(yōu)化;節(jié)能

1研究方法

建立某大型高效離心式風(fēng)機(jī)的三維建模圖，如圖1所示。

1.1數(shù)值模擬

（1）生成網(wǎng)格

根據(jù)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，風(fēng)機(jī)網(wǎng)格分為進(jìn)氣箱、葉輪、密封間隙以及蝸殼幾個(gè)部分。固體壁面設(shè)置10層邊界層，對于密封間隙等結(jié)構(gòu)較小的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)量為3200萬。

（2）邊界條件

風(fēng)機(jī)的邊界條件，進(jìn)口設(shè)置為總溫總壓，出口設(shè)置為質(zhì)量流量，湍流模型為SST;壁面采用無滑移條件。旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系;動(dòng)靜交界面進(jìn)行靜止區(qū)域與旋轉(zhuǎn)區(qū)域的耦合計(jì)算。本文研究的風(fēng)機(jī)邊界條件如表1所示。

1.2模態(tài)分析

模態(tài)分析是為計(jì)算在運(yùn)行過程中各部件的固有頻率，以確保固有頻率與工作頻率間留有足夠的隔離裕度。本文進(jìn)行模態(tài)分析的部件是風(fēng)機(jī)機(jī)殼，在進(jìn)行分析時(shí)，要求機(jī)殼前六階的固有頻率落在風(fēng)機(jī)工作頻率的0.7～1.2倍之外的安全區(qū)域里。

2優(yōu)化支撐管前風(fēng)機(jī)性能對比

2.1無支撐管風(fēng)機(jī)

按圖1所示模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，截取1/3葉高截面的速度矢量分布與壓力分布圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)流場中沒有出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象，如圖2所示。

由此證明，該風(fēng)機(jī)在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上已經(jīng)達(dá)到比較理想的狀態(tài)。氣動(dòng)分析的最終結(jié)果，如表2所示。

要求。為驗(yàn)證該風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，當(dāng)在對風(fēng)機(jī)機(jī)殼進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)殼的一、二階固有頻率在0.7-1.2倍工作頻率之內(nèi)，如表3所示。

由于風(fēng)機(jī)機(jī)殼的工作頻率與固有頻率間沒有足夠的隔離裕度，在運(yùn)行過程中存在共振風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)增加機(jī)殼剛度來滿足安全運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。

2.2支撐管原始布置風(fēng)機(jī)

為滿足風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行要求，最經(jīng)濟(jì)有效的方式是蝸殼內(nèi)增加支撐管。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中為防止機(jī)殼自身的變形，會(huì)在蝸殼內(nèi)布置6根直徑為Φ108mm的支撐管，如圖3所示。

對該風(fēng)機(jī)機(jī)殼進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示機(jī)殼前六階固有頻率都在設(shè)計(jì)要求的安全區(qū)域，保證風(fēng)機(jī)可以安全運(yùn)行，如表4所示。

由于支撐管在蝸殼內(nèi)部，必然會(huì)對蝸殼內(nèi)流場造成不利影響，對帶有原始布置支持管的風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，如圖4所示。

從圖4中可以看出，支撐管位置有旋渦和低速區(qū)出現(xiàn)，流場不再均勻。支撐管原始布置風(fēng)機(jī)氣動(dòng)分析的最終結(jié)果如表5所示。

從表5中可以看出，增加支撐管后，整機(jī)效率下降近6個(gè)百分點(diǎn)，且不再滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，該風(fēng)機(jī)無支撐管時(shí)，盡管性能滿足設(shè)計(jì)要求，但機(jī)殼剛度不達(dá)標(biāo);而有支撐管時(shí)，盡管機(jī)殼剛度達(dá)標(biāo)，但風(fēng)機(jī)性能卻不滿足設(shè)計(jì)要求。因此，對提高剛性所需要的支撐管進(jìn)行優(yōu)化，以便在滿足安全運(yùn)行要求的同時(shí)改善風(fēng)機(jī)的性能。

3支撐管布局優(yōu)化

對支撐管布局進(jìn)行優(yōu)化，以滿足風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行為前提，采用遞進(jìn)方式從不同支撐管直徑、數(shù)量、布置位置三個(gè)方面的機(jī)殼模態(tài)及風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬。要求每次優(yōu)化風(fēng)機(jī)的效率提升0.5%以上。

3.1優(yōu)化支撐管直徑

支撐管為無縫鋼管，優(yōu)化支撐管直徑主要是減小其直徑。按遞減的方式選擇直徑小于Φ108mm的若干個(gè)無縫鋼管建立模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如表6所示：

當(dāng)支撐管直徑減小到Φ60mm時(shí)，機(jī)殼的一階固有頻率是工作頻率的1.14倍，達(dá)不到安全隔離裕度要求，因此，確定支撐管直徑為Φ83mm。對支撐管直徑為Φ83mm的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖5所示。

與優(yōu)化前相比，風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)支撐管位置的流場同樣有旋渦與低速區(qū)出現(xiàn)，氣動(dòng)分析的最終結(jié)果如表7所示。

表7中顯示，優(yōu)化支撐管直徑后，風(fēng)機(jī)的全壓有所升高，蝸殼內(nèi)的全壓損失降低，整機(jī)效率增加了1.76%，滿足優(yōu)化要求。

3.2優(yōu)化支撐管數(shù)量

優(yōu)化支撐管數(shù)量是在優(yōu)化支撐管直徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要是要減少支撐管數(shù)量。從機(jī)殼出口開始，采取按間隔取消支撐管的方式，然后分別進(jìn)行建模計(jì)算，其模態(tài)分析結(jié)果如表8所示。

當(dāng)支撐管數(shù)量減少到3根時(shí)，機(jī)殼的一、二階固有頻率都達(dá)不到安全隔離裕度的要求。因此，確定支撐管數(shù)量為4根。

結(jié)語

綜上所述，通過上述的設(shè)計(jì)分析研究得出的結(jié)論是，當(dāng)機(jī)殼支撐管的數(shù)量增多以及其管徑越大，就會(huì)導(dǎo)致蝸殼內(nèi)壓力的消耗就越大，整體風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率就會(huì)也會(huì)低;同時(shí)支撐管的布置不規(guī)范，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)殼內(nèi)部流動(dòng)性嚴(yán)重降低。所以在優(yōu)化作業(yè)中，通過數(shù)值模擬的方式，對支撐管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，一定程度上能夠提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

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