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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