離心風機蝸殼的優化設計

文 乾，楚武利

(西北工業大學，陜西 西安 710072)

0 引 言

蝸殼作為離心風機的一個固定部件，它的作用是將離開離心葉輪后的氣流成功地導向蝸殼的出口，同時將轉換部分動壓為靜壓。由于蝸殼內流動的復雜性，不可避免地造成氣流的流動損失，這會對離心風機的整體性能有所影響。為了提高風機的性能，目前國內外都有關于蝸殼優化的研究，如文獻[1]提到了一種改變蝸殼橫截面形狀的方法，文獻[2]和文獻[4]中提出了2種新的設計蝸殼型線的方法。文獻[3]提到了1種加裝防渦圈的方法。文獻[5]總結了對哪些幾何參數的改變會影響到蝸殼的性能等。可以看出，對蝸殼性能有影響的參數很多，即使對于同一個參數，改進方法也并不唯一。本文在一維設計理論基礎上，試圖尋找到一種新的蝸殼外形線的優化方法。

1 對蝸殼進行優化

1.1 對基于一維設計的風機進行數值模擬

1)本文的優化對象為本教研室的1臺離心風機。該風機的蝸殼外形線使用等環量法[3]設計。

2)使用流體力學計算軟件NUMECA中的IGG組件畫出風機的三維圖形，劃分并粘貼好網格，如圖1所示。

3)把做好的IGG文件導入到NUMECA的FINE組件中，設定計算參數：進口邊界條件給定靜溫、流速，出口給定平均靜壓，固壁為絕熱壁面；葉輪轉速2 920 r/min，數學模型選用Turbulent Navier-Stokes，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型，時間項采用4階Runge-Kutta法迭代求解，空間項采用中心差分格式的有限體積法進行空間離散。同時采用局部時間步長、隱式殘差光順和完全多重網格技術加快計算速度。當殘差下降到10-6后認為計算收斂。

圖1 離心風機整機網格劃分Fig.1 Grid distribution of the centrifugal fan

4)如果模擬結果數據與實驗得出的數據相差較大，分析原因，修改以上FINE的相關計算參數或更改IGG中的網格結構。最后得到與實驗結果符合較好的模擬結果。

1.2 以數值模擬為基礎改進蝸殼形線的方法

在等環量法中，為簡化設計忽略氣體的黏性，所以認為氣流在整個流動過程中保持動量矩不變。如果考慮氣體的黏性作用，則動量矩并不是不變的，而是隨著流動的進行逐漸減小。因此按等環量法設計的蝸殼形線與實際的有一定的偏差，應對蝸殼形線進行修正。方法如下：

1)對于以上離心風機模擬后的結果，在NUMECA的CFView中通過后期處理得到蝸殼內氣流所受黏性力對中心軸的總力矩M。

3)使用等環量法設計的蝸殼在繪制蝸殼型線[3]時，首先求出蝸殼終了截面的張開度A2π，不考慮黏性力矩的影響，則

圖2 改進前后蝸殼外形線Fig.2 Volute with and without modification

5)把改型后得到的蝸殼用在原風機上，在IGG中對壓縮機進行網格的粘貼，盡量保持網格參數與改型前相同。在FINE中定義相關參數(保證風機進口處的總溫、總壓、流量相等，其他參數如湍流模型，數學模型等都保持相同)，然后進行計算。對比改進前后計算得到的結果(額定工況下，流量為3.3 kg/s)，如表1所示。

表1 改型前后性能對比

由表1可看出，改型后的蝸殼使風機的總壓，靜壓和效率都有所提升。

2 改型結果分析

改型前，由于忽略了氣體黏性的作用，設計的蝸殼形線的張開度相對真實情況偏小，這使氣流在蝸殼內的流動與真實情況有偏差，體現為在蝸殼外壁面處，增加了氣流與壁面的沖擊。同時由于氣流的沖擊損失，使壁面處的氣流速度大小減小的更多，橫截面處氣流速度的不均勻度也增大，這也增加了氣流之間的參混損失。具體分析如下：

1)速度分布不均勻產生的影響

文獻[6]中提到速度平均不均勻度δ定義：

根據此定義,計算改型前后蝸殼各個截面的不均勻度，其中橫坐標表示沿圓周方向各個角度的橫截面，縱坐標為不均勻度。結果如圖3所示。

圖3 改型前后各截面速度平均不均勻度Fig.3 Compare velocity uniformity between with modification and without modification on different cross section

由圖3可以看出，改型后的蝸殼各截面的速度不均勻度總體下降。各截面的氣流流動更加均勻，減少了由于速度的不均勻導致的氣流之間的參混損失。從圖3的結果中可以看出，135°截面的不均勻度減少得最為明顯，其速度分布云圖如圖4和圖5所示。

圖4 改型前蝸殼135°截面速度分布Fig.4 Speed distribution on 135° cross section without modification

圖5 改型后蝸殼135°截面速度分布Fig.5 Speed distribution on 135° cross section with modification

由圖4和圖5對比可以看出，改型前靠近蝸殼壁面的氣流速度相對于主流速度減小的更多，改型后的速度分布更加均勻。

2)截面靜壓分布不均勻產生的影響

與速度分布不均勻相同，同一截面上速度分布的不均勻度減小同樣意味著靜壓分布的不均勻度減小。而從蝸殼外緣到葉輪外緣方向上的靜壓是逐漸減小的。那么靜壓分布的不均勻度減小就表示了從蝸殼外緣到葉輪外緣的靜壓力梯度是減小的，這將減小蝸殼側壁表面邊界層內的二次流損失。

3)蝸殼與風機的匹配

如前所述，改型前的蝸殼各截面張開度相對于真實情況偏小。這樣，風機在設計工況工作時蝸殼實際將工作在大流量狀態。如圖6～圖8所示。

圖6 氣體在各工況下的流動情況Fig.6 Flow mode in different work condition

圖6中，Qt表示蝸殼工作在設計工況下的流量，當流量大于設計流量時，靠近蝸舌的地方一部分氣體未進入蝸殼的螺型部分進行減速增壓，而直接流向了出口。當流量小于設計流量時，將有一部分氣體不流向出口，而重新進入蝸殼。

圖7 改型前蝸殼內氣流流動情況Fig.7 Flow mode in volute that without modification

圖8 改型后蝸殼內氣流流動情況Fig.8 Flow mode in volute that with modification

由圖6～圖8可以看出，改型前的蝸殼內氣流流動與設計工況有偏差，接近于工作在大流量工況，改型后的蝸殼與風機的工作更加匹配。

3 結 語

本文對蝸殼外形線的一維設計方法進行分析，>并對基于蝸殼外形線一維設計的離心風機進行數值模擬，然后對原蝸殼設計進行改進。通過前面的分析和模擬結果得出如下結論：

1)蝸殼外周形線的一維設計方法簡便易于操作，但其中用到了較多的假設條件，設計結果往往與實際要求有一定的偏差。對這些假設條件的完善可以使設計結果更符合真實要求。

2)加入對氣體的黏性考慮后，對蝸殼外形線進行改進，從模擬結果看，氣流流動更加符合真實情況，減小了損失，提高了效率。

3)在改進過程中仍然使用了一些簡化措施，所以效果并不是非常明顯，如果按照改進思路繼續完善，會得到更好的效果。

[1] 慈蕾，謝蓉，孫濤，等.離心式壓縮機蝸殼優化設計[J].燃氣輪機技術,2005,18(3):40-43.

CI Lei,XIE Rong,SUN Tao,et al.Improvement of the volute design in a centrifugal compressor[J].Gas Turbine Technology，2005,18(3):40-43.

[2] 祁大同，姚承范,朱營康，等.離心風機蝸殼型線的改進設計與實驗[J].流體機械,1995,23(9):9-12.

QI Da-tong,YAO Cheng-fan,ZHU Ying-kang，et al.Improvement of the volute design and experiment in a centrifugal fan[J].Fluid Machinery,1995,23(9):9-12.

[3] 成心德.離心通風機[M].北京：化學工業出版社,2006：163-183.

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YAO Cheng-fan,KUAI Hong-liang,ZHU Ying-kang.Reaserch on low noise and high performance of a fan volute[J].Fluid Project,1991(7).

[5] BALONI B D,CHANNIWALA D S A.Design and analysis of volute casing:a review[C].Proceedings of ASME Turbo Expo,2012,GT2012-68056.

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