核級離心通風機流場、運行性能及振動特性分析

遲鵬

摘 要：本文采用數值計算方法，對某型號離心通風機的運行狀況進行模擬，驗證其設計性能。

關鍵詞：離心通風機；流場分析；運行分析；振動分析

中圖分類號：TH452 文獻標識碼：A

1.工作原理

多翼離心通風機利用葉輪高速轉動所產生的離心力驅動空氣流動，將機械能有效地轉化為氣流流動時的動能和壓力勢能。其結構簡單，主要包括集流器、葉輪和螺旋形機殼（蝸殼）3部分。離心通風機壓力系數高、流量系數大、運行穩定、噪聲較低，因此被廣泛運用到工程項目的通風系統中。離心通風機的工作過程如下：葉輪旋轉時，葉片流道空間的氣流隨葉片旋轉而旋轉，從而獲得動能。氣流在離心力作用下經葉端被高速拋出，甩入螺旋狀機殼。機殼橫截面面積沿螺旋線方向緩慢增大，因此氣流速度逐漸減小，動壓被有效地轉化為出口靜壓。與此同時，葉根處形成低壓區，壓差驅使外界空氣經集流器流入葉輪，補充先前被抽走的空氣，至此形成連續流動。

2.離心通風機氣動性能驗證

離心通風機氣動性能參數主要有流量、全壓、靜壓、效率（葉輪效率）等。能量從電機傳遞到軸，然后再傳遞到葉輪上，葉輪效率計算式為，（M為葉輪克服氣流作用的力矩大小，ω為葉輪轉動角速度，P0為風機出口平面按流量平均的全壓大小，Q為氣流入口體積流量，由于壓強變化不大，因此也可以看作出口體積流量）。全壓為靜壓與動壓之和，表征了氣流出口的有效總能量，可以克服下游的風道阻力，因此本文著重考察風機的（全壓）葉輪效率。計算中控制離心通風機出口流量16670m3/h不變，設定轉數1700rmp，出口平面按流量平均得到的靜壓為1045.3Pa，全壓1189.6Pa，此時的葉輪全壓效率為64.11%。集流器與葉輪之間存在間隙，流經葉輪后的部分氣流從蝸殼內的空間通過間隙再次進入葉輪形成循環流動，這將消耗部分葉輪所做的功，利用進出口氣流總焓差再與葉輪所做的功作差即可得到，大約為1.56%。全壓損失最大的區域出現在葉輪和蝸殼內，也是最有可能實現設計改進的部分。出口延伸區域有較大的回流，但氣流流速不高，損失較小，約1.33%。綜上，該型號的離心通風機在1700rp轉數條件下能達到額定的靜壓和全壓；風機入口處的輪軸盡管較大，但對性能影響較??；同時須看到風機效率大約為64%，大量的耗散損失發生在葉輪和蝸殼處，因此可對這兩部分的設計進行改進。

3.葉輪受力分析

對于單吸式離心通風機，通常葉輪輪蓋和輪盤兩側存在壓力差，由此產生較大的軸向推力。過大的軸向推力會增加主軸承的軸向負荷，使得主軸容易產生額外的溫升和金屬疲勞，從而降低軸承的使用壽命。而雙側進氣離心風機，對稱性較好，葉輪兩側的軸向受力更加均衡，安全性也較高。從對離心風機的定常計算結果中將氣流對葉輪的面載荷積分得到合力和合力矩，可以得出整體合力數值較小，特別是軸向平衡較好。反力矩的大小隨著轉數的增大而增大。

4.氣動噪聲大小及聲源位置的結果

本文考察了該離心風機的氣動噪聲情況，計算了距風機一米處軸向位置的噪聲值。隨轉數增加噪聲值增大，噪聲大小基本處在70～74分貝的范圍內。利用《工業通風機噪聲限值》標準進行校核。依據其中所提供的比A聲級計算公式LSA=LA-10lg（Qp02 ）+19.8得到3種情況下LSA依次為26.75dB，26.13dB，24.92dB。觀測點與葉輪中心連線和轉軸平面的夾角為Theta，得出距離1m處不同Theta角的觀測點噪聲，發現與轉軸垂直方向上噪聲最小，水平方向上最大。

5.葉輪振動振型計算結果

對風機轉子進行模態分析，并采用LANCZOS法提取模態，得到風機轉子的前10階自振頻率和前6階模態振型。由于在風機轉子有限元模型中，未施加約束轉子繞主軸的轉動自由度，因此轉子一階振動頻率接近于零，轉子的一階模態為繞主軸的轉動。二階模態的振動頻率為154.558Hz，即轉子的共振頻率，轉子的共振頻率較高，遠離電機的轉動頻率，在運行過程中不會發生轉子與電機的共振現象。進一步對風機整體模型進行模態分析，采用LANCZOS法提取模態，得到風機的前10階自振頻率和前10階模態振型。離心通風機的一階振動頻率為52.897Hz，風機底座及蝸殼具有較高的剛度，且與電機的轉動頻率錯開，當風機底座與基礎連接牢固時，不會發生風機與電機的共振現象。

6.對通風機結構改型的建議

通過分析可以得出若要提高通風機的效率，則需要抑制葉輪內部的分離，使得葉輪出口面上低總壓區的能量足夠高。要抑制分離有3個方法：方法一是在葉間通道內加入短葉片，強制引導流體通過。但是該方法實行起來并不容易，包括短葉片取多長，加在壓力面與吸力面之間的什么位置，角度如何選取等；方法二是改變葉片與輪盤和輪蓋的夾角，有資料表明葉片吸力面與輪盤夾銳角，輪蓋夾鈍角能有效改善后向通風機的效率，但本文未作嘗試，考慮到空間曲面的葉片設計加工困難；方法三是通過縮小葉間通道的流道來加速流體，增強其對抗反壓的能力，本文采用了這種方法，具體做法是縮小葉輪的出口寬度。

結論

通過采用通用有限元分析軟件ANSYS對4-75x2NO.6核級離心通風機進行數值模擬，驗證了風機的設計性能及結構的振動特性，同時對離心通風機內部的特殊流動結構進行了說明并提出了改進的一些建議。

參考文獻

[1]毛義軍，湯宏濤.雙吸離心通風機流場數值研究[J].流體機械，2013（11）：37-42.