空氣懸浮高速離心鼓風機流場計算及喘振分析

岳婷 李聰 張蒙 高楓 王成木

摘要：通過對空氣懸浮高速離心鼓風機全流道進行三維數值模擬，對其外特性曲線與測試試驗數據進行了對比，得到的外特性參數與測試試驗數據一致;對內部壓力、速度、溫度場進行分析，并得到了鼓風機的喘振及阻塞曲線，結果顯示，該鼓風機內部流動順暢，效率高，性能好;從得到的喘振及阻塞曲線可知，在多種運行轉速工況下，轉速越接近額定轉速，有效運行范圍越寬。

關鍵詞：高速離心鼓風機;喘振;阻塞

0 ? ?引言

高速離心鼓風機的轉速一般在10 000 r/min以上，空氣懸浮高速離心鼓風機因其效率高、運行穩定、壽命長、成本適宜等特點廣泛應用于國內污水處理廠[1-3]。該類高速離心鼓風機采用高速永磁電機直聯單級離心葉輪，軸承采用空氣懸浮軸承[4]。

目前，國內外對通風機、離心鼓風機及離心壓縮機的研究很多，但對空氣懸浮高速離心鼓風機的研究較少。丁可金等人采用CFD軟件對離心通風機進行了數值計算，并將外特性結果與試驗數據進行對比，同時對其內部流場進行了研究，提出了結構優化方法與系統優化設計方法[5-8]。趙斌等人對離心壓縮機進行了數值計算，并針對小流量、大流量工況進行了離心壓縮機內部流場特性分析[9-13]。寧遠釗等人應用CFX軟件及標準κ-ε湍流模型，對兩級離心鼓風機進行了整機三維流場的數值模擬，進而預測出整機的性能曲線[14]。張陽柳等人研究了不同轉速加裝葉輪對單級離心鼓風機全流場的影響，為風機改造提供了指導，為優化設計提供了依據[15-16]。代彬等人提出了高壓比葉輪離心鼓風機的市場優勢，并對高壓比單級高速離心鼓風機進行了研究，對葉輪進行了數值模擬分析，指出了其效率低的原因，并提出了改進方法[17-18]。

目前的研究針對單級的、高轉速的離心鼓風機較少，為了更清晰地了解空氣懸浮高速離心鼓風機內部流場，對鼓風機內的空氣流動有更加直觀的認識，本文以某空氣懸浮高速離心鼓風機為研究對象，對其全流道進行定常數值計算，與樣機測試試驗數據進行對比，對空氣懸浮高速離心鼓風機內流場和外特性進行了研究。

1 ? ?模型及計算方法

1.1 ? ?幾何模型

本文研究的空氣懸浮高速離心鼓風機計算流場由蝸殼、葉輪、吸入室三部分組成，如圖1所示。

該鼓風機設計參數為：流量58 m3/min，壓比約為1.7，轉速33 000 r/min，葉片數12個（6長6短），葉輪直徑D=192 mm。

1.2 ? ?網格劃分

針對該流體域模型進行網格劃分，在劃分過程中，考慮葉頂間隙的影響，在該間隙內布置三層網格進行加密[19-20]，并保證其他部分網格質量足夠好，滿足計算所需網格質量要求。本次計算模型使用的網格數量為640萬，Y+值小于10，劃分好的計算域網格如圖2所示。

1.3 ? ?計算方法及邊界條件

本文中選取可壓縮的理想空氣為介質，采用標準κ-ε湍流模型和Scalable壁面函數，壓力方程的離散采用標準格式，動量方程、湍動能與耗散率輸運方程的離散均采用一階迎風格式。在計算時通過監測鼓風機進氣室進口截面的質量流量和蝸殼出口截面的平均總溫的穩定程度，判斷計算是否收斂。

邊界條件：進口邊界條件為壓力進口，出口邊界條件采用質量流量。選取額定轉速下的計算參數，即進口溫度為45.2 ℃，出口溫度為117.9 ℃，進口壓力101 325 Pa（1 atm），出口流量58 m3/min。

由于鼓風機流動域是由多個部件裝配而成的，在不同部件相交接的地方，均需設置交接面（Interface）。當靜止部件和葉輪交接時，需采用凍結轉子模型（Frozen Rotor）。

2 ? ?數值計算結果分析

2.1 ? ?數值計算結果與試驗結果分析比較

本文利用多變效率來計算葉片的效率，多變效率計算公式如下：

式中：k為等熵指數;p2為出口壓力;p1為進口壓力;T2為出口溫度;T1為進口溫度。

圖3為額定轉速下數值計算得到的Q-Δp（流量—壓差）、Q-η（流量—效率）曲線與測試結果對比情況，從圖中可以看到，計算結果與試驗值相差較小，最大誤差在5%以內。從圖中還可以看到，轉速恒定時，隨著流量增大，風機的升壓逐漸減少，效率呈現先上升再下降的趨勢，符合風機外特性變化規律。因此，認為此次數值計算結果是可信的。

2.2 ? ?內部流場分析

通過軟件后處理，得到高速離心鼓風機內部流動情況。

圖4為整個計算域內部的流線分布圖，從圖中可以看到，氣體從進口進入，經過葉片的旋流作用產生加速，經過蝸殼的旋流作用流出蝸殼，從流線的流動來看，本次計算流動是合理的。

圖5是葉片最低端水平截面速度矢量圖，如圖所示，氣體流過葉片速度增加，形成流動的旋流，流動區域的最大流速在270 m/s左右，說明該風機內部流動速度很高，完全處于可壓縮狀態。氣流流出葉片后，通過蝸殼，形成旋轉流動。

圖6是葉片頂部區域水平截面速度矢量圖，由于頂部無分流葉片，在這部分只有葉片的旋流作用，氣流在葉片間形成旋流流動，離圓心越遠，受旋轉速度的影響，氣流速度越大。

圖7是葉片最低端水平截面壓力分布云圖，從葉片進口到出口，壓力成梯度式遞增分布，符合離心鼓風機壓力分布形式。

圖8是葉片通道的速度矢量圖，可以發現，在葉片與分流葉片段，速度增速最大，其他區域速度相對變化較小。最大流速可以達到301 m/s左右，因此在設計該風機時，需要考慮氣動力對風機帶來的結構強度影響和氣流振動影響。