4-72離心風(fēng)機(jī)蝸殼與葉輪適配性研究及其工程化

(華北電力大學(xué)，保定 071000)

1 蝸殼半徑設(shè)計(jì)方法研究

1.1 移植對象及其設(shè)計(jì)參數(shù)和性能參數(shù)

文中以華北電力大學(xué)風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室中的4-72 №3.2A型離心風(fēng)機(jī)蝸殼為研究對象。其設(shè)計(jì)參數(shù)和產(chǎn)品樣本性能參數(shù)分別見表1-2。

表1 4-72№3.2A型離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 4-72№3.2A型離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本性能參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)方法簡介

以等環(huán)量法和遺傳算法為基礎(chǔ)[16]，可得蝸殼半徑Rφ的表達(dá)式為：

(1)

式中,B為蝸殼寬度，m；Qn為任意截面上流量，m3·s-1；R為蝸殼半徑，m；C2u為氣流離開葉道出口時(shí)的周向速度，m·s-1。

為考慮變工況下蝸殼半徑對風(fēng)機(jī)性能的影響，引入一個(gè)流量修正系數(shù)(如式(2)所示)，以替代式(1)中的φ。

(2)

利用表2中的8個(gè)工況參數(shù)，將文獻(xiàn)[8]的研究方法移植于該風(fēng)機(jī)，對修正參數(shù)K1、K2進(jìn)行尋優(yōu)，可得引入流量修正系數(shù)后的蝸殼半徑如式(3)所示：

(3)

1.3 移植結(jié)果

依據(jù)上述公式，對文中給出的蝸殼型線所需尺寸參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。具體步驟參見文獻(xiàn)[11]，在此不做詳述，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3蝸殼型線近似作圖尺寸參數(shù)

根據(jù)表1與表3中的數(shù)據(jù)，對文中給出的蝸殼型線通過Auto CAD軟件進(jìn)行近似作圖，并與改造前蝸殼型線進(jìn)行對比，如圖1所示。

圖1 蝸殼半徑修正前后對比圖

由圖1可以看出，與修正前比較，修正后蝸殼半徑具有“小旋轉(zhuǎn)角時(shí)半徑小、大旋轉(zhuǎn)角時(shí)則反之”的特點(diǎn)，符合之前的預(yù)期。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 物理模型建立

根據(jù)4-72№3.2A型離心風(fēng)機(jī)及其進(jìn)氣裝置幾何參數(shù)，將其流場分為入口段、葉輪和蝸殼三個(gè)流域。

2.2 單值性條件設(shè)置

文中使用CFX作為求解器，其主要設(shè)置操作如下：

(1)設(shè)置模擬類型為穩(wěn)態(tài)模擬；

(2)工質(zhì)為1 atm下的20 ℃空氣；

(3)將流域Ⅰ、流域Ⅱ和流域Ⅲ依次設(shè)置命名為INLET COLLECTOR、IMPELLER FLUID和VOLUTE OUTLET三個(gè)計(jì)算域：

(4)入口邊界條件為質(zhì)量流量速率，其溫度設(shè)置為靜態(tài)溫度，293 K；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，相對壓強(qiáng)設(shè)置為0 Pa；壁面條件均設(shè)置為無滑移壁面：

(5)湍流模型選擇RNG k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對蝸殼改造前、后的風(fēng)機(jī)進(jìn)氣性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其全壓和內(nèi)效率模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 蝸殼改造前后風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果對比

為分析蝸殼改造前后對風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)流場的影響，對蝸殼流域做周向縱截面圖。縱截面范圍由φ=/2至φ=2每隔/6做一縱截面，共10個(gè)截面，對應(yīng)編號(hào)為C01至C10，并以葉輪中心為基準(zhǔn)作蝸殼流域橫截面及其速度云圖，如圖3和圖4所示。在圖4中，黑色為速度矢量圖例，彩色為速度云圖圖例。

圖3 蝸殼橫截面速度云圖及各縱截面位置示意圖

圖4 改造前后蝸殼各縱截面速度矢量圖及速度云圖

由圖4的速度矢量圖可以看出，在徑向方向上，氣流由葉輪出口流向壁面，受壁面阻礙作用在截面上方形成旋渦。在C01～C03截面，由于張開度較小，氣流受壁面影響大，在后盤下方形成渦，在蝸殼中部大量氣流轉(zhuǎn)向而只有少量氣流繼續(xù)向上方流動(dòng)進(jìn)而轉(zhuǎn)向形成渦；在C04～C10截面，張開度隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而增大，氣流由葉輪出口較均勻地向下方流動(dòng)至蝸殼壁面附近再向上流動(dòng)，最終由于受到壁面約束形成旋渦。

對比分析圖4同一截面位置的速度云圖，在C01～C03截面，低速區(qū)的位置及大小因改造后對應(yīng)的張開度減小而發(fā)生了變化。在截面上方低速區(qū)明顯減小，而在下方邊角處低速區(qū)略有增加；在C04～ C10截面，改造后的低速區(qū)較改造前均減小，特別是C07～C10截面，有更好的均勻度且在邊角也有更好的充滿度。由上述分析可知：改造后風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的流場較改造前確有改善。

為進(jìn)一步研究改造后風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)流場特性的變化，還需要作進(jìn)一步的定量分析。現(xiàn)對C01～C10截面直至OUTLET截面的靜壓恢復(fù)值ΔpstC進(jìn)行分析。

圖5 蝸殼改造前后其各縱截面靜壓恢復(fù)值ΔpstC對比

在小流量條件下，當(dāng)180<φ<300時(shí)，改造后的靜壓恢復(fù)值pstC高于改造前；而當(dāng)φ<180或φ>300時(shí)，則反之。原因是：小流量時(shí)，葉輪出口流量不均；而改造后的蝸殼半徑較改造前在旋轉(zhuǎn)角φ<250時(shí)半徑小且在旋轉(zhuǎn)角φ大時(shí)半徑大，加劇了葉輪出口的不均勻性。因而當(dāng)φ<180，改造后蝸殼半徑變小，因受蝸殼壁面影響動(dòng)壓能轉(zhuǎn)化靜壓能較改造前多，故ΔpstC2<ΔpstC1；當(dāng)φ>300，改造后蝸殼半徑變大，因受擴(kuò)壓作用影響動(dòng)壓能轉(zhuǎn)化靜壓能較改造前多，故ΔpstC2<ΔpstC1；當(dāng)180<φ<300，受葉輪出口流量及兩端影響，故ΔpstC2<ΔpstC1。

在中流量條件下，蝸殼內(nèi)流體充滿效果好，改造后的蝸舌間隙減小對蝸殼內(nèi)流動(dòng)影響較小，且φ<150改造前、后蝸殼半徑相對變化不大，ΔpstC2較pstC1在φ<150變化不大；在φ>250時(shí)，由于改造后的蝸殼半徑大于改造前，故ΔpstC2

3 離心風(fēng)機(jī)進(jìn)氣性能試驗(yàn)研究

3.1 進(jìn)氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)及其裝置

試驗(yàn)所用的試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)設(shè)備布置如圖6所示。

圖6 離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)氣試驗(yàn)裝置示意圖1.傾斜式微壓計(jì)；2.節(jié)流網(wǎng)；3.傾斜式微壓計(jì)；4.進(jìn)氣管道；5.試驗(yàn)風(fēng)機(jī)；6.功率表；7.手持式轉(zhuǎn)速表；8.靜壓測點(diǎn)；9.穩(wěn)流柵；10.集流器

試驗(yàn)對象為4-72№3.2A型離心風(fēng)機(jī)(改造前、后)，改造前，其運(yùn)行參數(shù)范圍見表4。

表4改造前風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)范圍

3.2 試驗(yàn)方法簡介

在本離心風(fēng)機(jī)進(jìn)氣性能試驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)的流量通過改變集流器入口節(jié)流網(wǎng)層數(shù)來調(diào)節(jié)。對蝸殼半徑改造前后的風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行了進(jìn)氣性能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果換算為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)。

上述分析表明：與改造前比較，在較大相對流量變化范圍內(nèi)，改造后風(fēng)機(jī)的靜壓變化較小，而隨著流量的不斷增大，軸功率降低的趨勢則越來越顯著，而這正是我們預(yù)期的結(jié)果。

試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：改造后的風(fēng)機(jī)性能與流場均較改造前略有改善。因此，可認(rèn)為文獻(xiàn)[8]所給出的基于遺傳算法且考慮葉輪出口流量不均影響的蝸殼半徑設(shè)計(jì)方法具有一定的合理性，且具有可移植性。

4 蝸殼半徑設(shè)計(jì)方法工程化

為便于該設(shè)計(jì)方法在工程化改造時(shí)使用，現(xiàn)利用MATLAB GUI完成其蝸殼半徑計(jì)算與繪圖，并輸出蝸殼型線數(shù)據(jù)表。

對4-72№3.2A風(fēng)機(jī)改造前、后的研究表明：上文所給出的蝸殼型線設(shè)計(jì)方法有一定合理性。為便于該設(shè)計(jì)方法在工程化改造時(shí)使用，現(xiàn)利用MATLAB GUI使該設(shè)計(jì)方法工程化，使之能輸出蝸殼型線數(shù)據(jù)表。

4.1 設(shè)計(jì)流程

文中軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 設(shè)計(jì)軟件功能

按流程設(shè)計(jì)了蝸殼半徑設(shè)計(jì)軟件，其主要有六個(gè)部分。

風(fēng)機(jī)選型界面分為左右兩部分。右側(cè)可根據(jù)不同風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)置。預(yù)留了風(fēng)機(jī)類型的接口以便將本設(shè)計(jì)方法推廣到其它類型的離心風(fēng)機(jī)。通過在“風(fēng)機(jī)機(jī)號(hào)”選項(xiàng)內(nèi)輸入數(shù)據(jù)，可將文中給出的4-72№3.2A離心風(fēng)機(jī)蝸殼半徑設(shè)計(jì)方法的結(jié)果(界面中稱遺傳優(yōu)化方法)拓展到其它機(jī)號(hào)的4-72風(fēng)機(jī)。完成風(fēng)機(jī)選型設(shè)置，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，即可得出相應(yīng)的實(shí)際型線、理論計(jì)算型線及遺傳設(shè)計(jì)型線(文中給出的)并在左側(cè)顯示。

風(fēng)機(jī)參數(shù)界面可顯示出風(fēng)機(jī)蝸舌間隙和最大張開度在改造前、后的數(shù)據(jù)；機(jī)性能界面主要為顯示改造前風(fēng)機(jī)的全壓、內(nèi)效率和軸功率；修正界面可對遺傳優(yōu)化型線進(jìn)行修正，可以通過蝸舌間隙和最大張開度增量對蝸殼型線微調(diào)，以增強(qiáng)對不同機(jī)號(hào)風(fēng)機(jī)的適應(yīng)能力；對比擇優(yōu)界面可對修正型線進(jìn)行篩選和對比。終止角度系數(shù)則是為了讓蝸殼的直線段與螺旋線段相切，減小蝸殼內(nèi)的流動(dòng)損失；輸出界面的目的是將用于型線繪制的數(shù)據(jù)表輸出至指定的Excel表格，并留有輸出型線類型以及輸出類型的接口。

5 結(jié)束語

(1)文中給出的基于基因遺傳算法且考慮了葉輪出口流量不均影響的設(shè)計(jì)方法是合理的。

(2)與改造前比較，改造后風(fēng)機(jī)的整體試驗(yàn)性能得到提升，軸功率最多可降低3.7%，靜壓效率最多可提高2.9%；模擬相對流量為1.039時(shí)，其蝸殼內(nèi)流場明顯改善；隨著流量的增大其改造效果愈加顯著，全壓和內(nèi)效率最多可提高1.6%和1.9%。

(3)設(shè)計(jì)并完成的該系列離心風(fēng)機(jī)蝸殼半徑設(shè)計(jì)軟件，可輸出蝸殼型線數(shù)據(jù)表，便于其工程化改造時(shí)使用。