船用離心通風機高效節能改進設計

趙 博，陳 朋，丁可金，顧軍威

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用離心通風機高效節能改進設計

趙 博1，陳 朋2，丁可金2，顧軍威2

（1.海軍駐上海七〇四所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

開展某型船用離心通風機節能改進設計，采用數值仿真對改進前后風機內部流場進行了分析，揭示了流動對風機整體性能的影響，樣機試驗表明風機節能改進效果明顯，本文的設計方法對離心風機節能改進具有較高的應用價值。

離心風機；數值模擬；節能

0 前言

離心通風機在船舶通風、換氣、采暖、除塵、輸送易燃易爆氣體等方面有著無可替代的作用，是船舶輔助保障系統的重要設備之一。目前，國內船用風機普遍存在結構陳舊、效率低下的問題。隨著船舶建造規模的加大和現代科技的發展，能夠滿足現代船舶可持續發展要求的高效節能風機產品已經成為本類產品的發展趨勢。因此，通過結構設計改進進行通風機節能技術研究是一項十分有意義的課題。研究工作可為我國船舶業的發展提供更好配套產品，彌補我國此類產品的不足，同時，船用風機節能減排方面的研究也符合我國可持續發展的大趨勢，具有長久的意義。

1 改進方案

改進工作針對A型船用離心風機，該型風機額定流量7000m3/h、全壓2450Pa、轉速2900r/min，在實際使用過程中發現該型風機效率較低，在額定工況下約為61%。

A型風機主要由葉輪、蝸殼以及進口集流器等組成。風機葉輪采用徑向直葉片，長短葉片間隔分布，前后盤平直結構，圖1為揭開前盤的葉輪結構示意圖。這種結構的風機具有制造方便，適合于正反轉的特點，主要缺點是流動損失大，效率低下。

如圖2所示，徑向葉片進口幾何角度與圓周方向為90度，而氣流進入葉片流道的相對速度的方向一般小于45度，因此氣流與葉片的沖角大于45度。進口氣流的沖角大，氣流在葉片表面會產生附面層分離，產生能量損耗，導致整個葉輪的效率降低。此外，葉輪采用平前盤，靠近前盤的氣流容易分離，這對風機的整體性能也會產生不利的影響。

圖1 原型風機葉輪結構

圖2 葉輪進口速度三角型

為了減少進口處氣流的沖角，使葉片與設計工況下進口氣流的角度相互協調，改進風機采用采用后彎葉片結合弧形前盤的型式，如圖3所示。

圖3 后彎葉輪

2 數值模擬分析

采用流體計算軟件NUMECA對A型風機和改進風機進行數值模擬計算分析。數值計算采用了 NUMECA FINE軟件包的Euranus求解器。采用Jameson的有限體積差分格式并結合Spalart-Allmaras湍流模型對相對坐標系下的三維雷諾時均Navier-Stokes方程進行求解，采用顯式四階Runge-Kutta法時間推進以獲得定常解，為提高計算效率，采用了多重網格法、局部時間步長和殘差光順等加速收斂措施。

計算中，輪轂、機匣以及葉片等固壁上給定絕熱無滑移邊界條件，風機上游延伸段進口邊界條件取總壓為101325Pa、進口總溫為288.2K，進口氣流方向為軸向。風機下游延伸段出口邊界條件設為平均靜壓，通過不斷調整出口延伸段背壓獲得特性線。當風機出口背壓調整到一定程度時，經過一定迭代步數后各物理量不收斂時，認為進入不穩定工況[1-4]。

圖4 計算網格

2.1 A型風機計算結果分析

葉輪作為風機的核心部件，決定著風機的主要性能，下面通過分析葉輪內部流場，找出A型風機性能差的主要原因。

圖5給出了額定流量狀態下，約10%、50%及99%三種葉高處葉片通道內相對速度分布矢量圖。從圖中可觀察到，無論何種葉高處，葉片通道內均存在大范圍的氣流分離區，并且氣流分離位置就在葉片的前緣處，同時靠近葉片壓力面處通道內出現明顯的旋渦狀氣流區。對比可發現 50%葉高處葉片通道內氣流分離現象較其它兩個葉高處的惡劣，該葉高下通道內的氣流分離區最大，并且進口氣流的沖角明顯比其它兩個葉高時的大。由此可看出進口氣流沖角過大造成葉片吸力面處的附面層分離，由此產生較大的流動損失，甚至有可能會引起葉片流道堵塞，對風機性能產生不利影響，導致風機效率低下。

2.2 改進風機計算結果分析

圖6～圖8給出了額定流量狀態下，約10%、50%及99%三種葉高處A型風機葉輪和改進風機葉輪通道內相對速度分布矢量圖。從三圖中可觀察到，無論何種葉高處，A型風機葉片通道內均存在大范圍的氣流分離區，靠近葉片壓力面處通道內出現明顯的旋渦狀氣流區，流動狀況較差。而改進風機葉片通道內，氣流流動狀態有明顯改善，氣流在葉片吸力面的分離起始位置靠后，推遲了氣流分離，減小了分離區，從而提高整體效率。在另一方面，分離區的減小，同時能夠降低流動產生的非定常激振力，從而改善風機的整體運行狀況。

圖9為計算獲得的改進風機和A型風機流量效率曲線圖和流量全壓曲線圖，由圖可以看出，改進風機流量全壓曲線與A型風機基本一致，而整體效率明顯高于A型風機。

圖5 額定流量下不同葉高處相對速度矢量分布圖

圖6 兩種葉型約10%葉高處相對速度矢量分布圖

圖7 兩種葉型約50%葉高處相對速度矢量分布圖

圖8 兩種葉型約99%葉高處相對速度矢量分布圖

3 試驗結果分析

在數值計算的基礎上，完成了改進風機制造及性能試驗，與A型風機試驗數據對比驗證改進效果，試驗數據見表1。

根據試驗數據換算結果，得到圖10、圖11、圖12分別為改進前后風機流量全壓曲線圖、流量效率曲線圖和流量功率曲線圖。總體而言，改進風機流量、全壓基本與A型風機相同，而效率和功率則都有較大幅度的改善。如圖10，改進風機在整個流量范圍內，全壓曲線略高于A型風機對應曲線，整體走勢基本一致。如圖11，改進風機效率曲線始終都高于A型風機效率曲線，在額定工況點7000m3/h處，A型風機對應效率約為61%，而改進風機對應效率則提高至75%左右。從圖12可以看到，在整個流量范圍內改進風機消耗功率明顯低于A型風機，在額定工況附近，A型風機軸功率約為15.5kW，而改進風機約降低至12.5kW左右。

表1 試驗數據表

圖10 改進前后風機實測流量全壓曲線圖

圖11 改進前后風機實測流量效率曲線圖

圖12 改進前后風機實測流量功率曲線

4 結論

1）試驗結果顯示，改進風機在額定工況點，流量7000m3/h、全壓約2500Pa，效率達到75%左右，功率相對原風機降低約20%，說明改進風機在保證A型風機性能的基礎上，效率獲得了較大的提高，功率損耗大幅度降低，節能效果明顯；2）通過流場計算分析，有效的揭示了A型風機效率低下的主要原因，較為準確的預估了風機的改進效果，計算結果與實際試驗結果較為一致，說明數值計算仿真能夠為通風機設計研究提供有效的借鑒和幫助；3）本文的設計方法可以十分容易的推廣到其他離心通風機的節能改進，對實際工程應用具有較高的指導意義。

[1]王小華,黃東濤,等.離心風機子午通道內湍流場數值模擬[J].應用力學學報,1998,15(1):50-54.

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Improved Calculation and Experimental Research of Marine Centrifugal Blower

ZHAO Bo1,CHEN Peng2,DING Ke-jin2,GU Jun-wei2
(1.Navy Representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Computational fluid dynamics NUMECA is applied and the meliorated impeller of one ventilator is numerical simulated and analyzed.The comparison of the calculation results and the experimental results indicates that the calculation can supply a direction for the amelioration.The calculation results can play an important role for the design of the ventilators.

centrifugal blower; numerical simulation; energy sources saving

U66

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.004

趙博（1977-），男，碩士。研究方向：艦船機電設計研究。