集流器轴向安装深度对离心通风机气动性能的影响.pdf

摘 要 离心通风机是工业、民生领域中应用广泛的通用机械，因此其能耗和运行稳定性一直 是人们关注的热点。离心通风机在偏离设计工况下运行时容易产生振动，内部流态紊乱， 使风机效下降，尤其是在小流量工况下，风机内部会出现失速现象，严重影响机组的运行 安全。离心通风机里的进口集流器具有引导气流均匀进入叶轮的重要作用，其与叶轮间的 相对位置会影响动静部件间的间隙形状进而影响风机的整体性能，因此，深入研究集流器 与叶轮间相对安装位置的变化对风机内部流场分布以及压力脉动特性的影响具有重要意 义。本论文通过数值模拟的方法对离心通风机在不同集流器安装深度下的风机内部流态及 外特性做深入研究，相关工作内容如下： （1）基于计算流体动力学方法建立了小型离心通风机的性能计算模型，并对安装了 圆弧形集流器的原始离心通风机进行了性能分析。通过计算结果与实验结果的对比表明所 建立的小型离心通风机性能计算模型可靠、有效。此外，通过对圆弧形集流器在不同安装 深度下的外特性对比可知，圆弧形集流器安装深度的变化对风机气动性能改善作用不大， 风机效率提升程度小，达不到使用要求。 （2 ）对初始的圆弧形集流器出段做改型处理，经过数值模拟方法验证，改型后的通 风机效率有了较为明显提升。集流器改型后风机间隙泄漏量明显下降，而且间隙泄漏量的 适量增加有利于风机气动性能的提高。为了进一步探究改型集流器的安装深度对通风机性 能的影响，引入熵产理论详细分析了安装深度变化后风机内部能量损失发生位置与大小的 变化。结果表明：叶轮内部由相对速度引起的熵产占总熵产比例较大，风机靠近叶轮进口 位置高熵产率主要由湍流耗散引起的；通过分析叶轮内部各个过流部件的熵产率随风机来 流量的变化情况，发现叶轮前盘壁面熵产率最高。 （3 ）基于瞬态数值分析方法研究了集流器改型前后风机的非稳态特性。结果表明， 叶频是叶轮进口间隙内部压力脉动的主要成分；大幅度偏离设计工况的条件下，安装深度 的增加会急剧强化间隙内流体对轮盖的压力脉动激振作用，大流量工况下尤其显著；改型 I 后集流器恶化了小流量工况下风机的稳定性，引发了叶轮内部的旋转失速现象，但对于设 计流量和大流量工况下的通风机气动性能有改善。集流器安装深度的选择对通风机的气动 性能和稳定性都有重要影响，在风机的设计过程中需要慎重考虑。 关键词：离心通风机；集流器；安装深度；熵产理论；压力脉动  本研究得到国家自然科学基金项目51679195 ）、陕西省自然科学基础研究计划（2019JQ-044 ） 的资助 II 目录 目 录 摘 要I Abstract III 1. 绪 论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状2 1.2.1 间隙泄漏成因探究2 1.2.2 间隙泄漏研究现状4 1.2.3 离心通风机间隙泄漏问题的解决方法和措施6 1.3 课题研究内容6 2. 离心通风机数值模拟研究7 2.1 数值模拟基本理论7 2.1.1 控制方程7 2.1.2 湍流模型 8 2.2 离心通风机数值计算 10 2.2.1 计算模型和网格划分 10 2.2.2 计算方法和边界条件 11 2.2.3 数值模拟结果验证 11 2.3 离心风机数值模拟的内部流动特性分析 13 2.4 本章小结20 3. 离心通风机内部结构优化分析21 3.1 集流器改型设计21 3.2 风机进口间隙改型结果分析22 3.2.1 风机外特性曲线分析22 3.2.2 风机内泄漏分析