摘要：采用CFD數(shù)值模擬方法研究了不同結(jié)構(gòu)形式集流器對(duì)大型軸流式風(fēng)機(jī)性能的影響。計(jì)算得到了風(fēng)機(jī)壓升和效率隨流量變化的性能曲線(xiàn)，對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)形式集流器對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的原因，為合理設(shè)計(jì)與選擇集流器形式改善風(fēng)機(jī)性能提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：軸流式風(fēng)機(jī)；集流器；性能
0　引言
　　集流器是風(fēng)機(jī)的重要輔助部件，與流線(xiàn)罩一起組成漸縮形流道，使氣流在此加速，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口前建立起均勻的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，以降低流動(dòng)損失提高風(fēng)機(jī)效率。集流器中氣體流速不大，管長(zhǎng)比較短，本身流動(dòng)損失不大[1]，一般情況下可以滿(mǎn)足進(jìn)口條件的均勻流場(chǎng)并保證效率。集流器形式會(huì)影響風(fēng)機(jī)性能，設(shè)計(jì)良好的集流器流動(dòng)損失較小，而設(shè)計(jì)不合理會(huì)使進(jìn)口條件惡化，導(dǎo)致性能[2]下降。目前對(duì)于集流器的研究主要集中在試驗(yàn)分析[3]小型軸流式風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬[4-8]，而對(duì)于大型風(fēng)機(jī)研究不多。本文以某大型軸流式風(fēng)機(jī)為例，改變集流器形式在整機(jī)條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同形式集流器對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的原因。
　　風(fēng)機(jī)集流器最常用的有三種形式：圓筒形、圓錐形和圓弧形。在集流器出口截面面積相同的條件下，采用與圓弧形相同的曲率設(shè)計(jì)了噴嘴形。四種形式集流器形狀見(jiàn)圖1。


1計(jì)算模型及數(shù)值計(jì)算
1.1計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分
　　計(jì)算模型采用的某大型軸流風(fēng)機(jī)由集流器、流線(xiàn)罩、葉輪、后導(dǎo)葉、擴(kuò)散筒等組成。該風(fēng)機(jī)的軸流級(jí)由動(dòng)葉片和后導(dǎo)流葉片組成，葉輪進(jìn)口前方安裝了支撐架結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。氣流由集流器進(jìn)入，通過(guò)流線(xiàn)罩和前支架進(jìn)入葉輪，獲得能量后由擴(kuò)散筒流出。風(fēng)機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1。整個(gè)計(jì)算域從集流器進(jìn)口到擴(kuò)散段出口，并在其后延長(zhǎng)了一段距離。通過(guò)計(jì)算確定延長(zhǎng)兩個(gè)風(fēng)機(jī)長(zhǎng)度可以保證沒(méi)有回流，使計(jì)算出口處流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定。




　　風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且葉片形狀不規(guī)則，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，相反非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適應(yīng)能力強(qiáng)，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)有利于網(wǎng)格的自適應(yīng)。計(jì)算選用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流場(chǎng)區(qū)域采用HyperMesh生成面網(wǎng)格，由T-Grid生成體網(wǎng)格,強(qiáng)力排風(fēng)扇，建立網(wǎng)格模型。在流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜部位、葉頂間隙與葉片尖部進(jìn)行了網(wǎng)格加密，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為進(jìn)口段、葉輪段和出口段，其中葉輪區(qū)域?yàn)閯?dòng)區(qū)域，進(jìn)口和出口兩段為靜止區(qū)域。計(jì)算網(wǎng)格面網(wǎng)格數(shù)為120萬(wàn)，體網(wǎng)格數(shù)在1600萬(wàn)左右。近壁區(qū)域邊界層劃分了5層，總厚度在15mm左右，壁面網(wǎng)格分布的Y+值在10～200范圍內(nèi),模壓風(fēng)機(jī)。
1.2數(shù)值求解方法
　　流動(dòng)計(jì)算采用FLUENT軟件，選擇設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的不同流量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)口流量分別取為80%、90%、100%、110%的設(shè)計(jì)流量。旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止部件之間流動(dòng)采用多參考坐標(biāo)系法(MRF)耦合。動(dòng)靜子區(qū)域交界面設(shè)為interior，在此處交換慣性坐標(biāo)下的流動(dòng)參數(shù)，保證界面參數(shù)的連續(xù)性。
　　計(jì)算域進(jìn)出口氣流方向均為軸向，進(jìn)口給定質(zhì)量流量進(jìn)口，出口設(shè)為壓力邊界條件，定義出口壓力相對(duì)大氣壓力為0。葉輪和機(jī)殼與流體接觸區(qū)域的固體壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，忽略重力。設(shè)定湍流模型為Realizablek-epsilon，進(jìn)、出口的湍流度和湍流粘度比分別為1%和10。
　　計(jì)算采用隱式分離、SIMPLE壓力速度耦合方法進(jìn)行，計(jì)算時(shí)先用一階迎風(fēng)格式得到初值，然后改用二階迎風(fēng)格式得到更高精度的解。計(jì)算在512核刀片服務(wù)器上進(jìn)行，使用了24核CPU并行計(jì)算，計(jì)算全部完成時(shí)間大約為300h。整個(gè)迭代過(guò)程監(jiān)控控制方程殘差和風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口面流量差與總壓差的變化，達(dá)到數(shù)值收斂和物理收斂后停止計(jì)算。
2計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析
2.1風(fēng)機(jī)壓升隨流量變化比較
　　風(fēng)機(jī)整體性能參數(shù)選取壓升和效率進(jìn)行對(duì)比分析。此處壓升主要考慮風(fēng)機(jī)進(jìn)出口截面上的靜壓之差即靜壓升和全壓之差即總壓升，壓升代表了單位體積氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量。
　　圖3給出了風(fēng)機(jī)靜壓升隨進(jìn)口流量變化曲線(xiàn)。由圖可以看出，圓筒形和噴嘴形靜壓升差距較大，在設(shè)計(jì)點(diǎn)處大約相差15%，這是由于圓筒形形狀規(guī)則靜壓損失較小，噴嘴形氣流紊亂，損失較大。圓弧形和圓錐形靜壓升非常接近，這兩種形式的形狀特點(diǎn)決定了其損失比圓筒形大但比噴嘴形損失小，所以處于中間位置,負(fù)壓風(fēng)機(jī)批發(fā)。


　　圖4給出了總壓升隨進(jìn)口流量變化曲線(xiàn)，前三種形式的集流器總壓升差距不是很大，而采用噴嘴形集流器時(shí)總壓升明顯下降，在設(shè)計(jì)點(diǎn)位置大約下降10%。


　　為了分析總壓升變化差距的原因，在圖5中給出了集流器出口總壓沿徑向分布曲線(xiàn)。從圖中可以看出，從流線(xiàn)罩到機(jī)殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形和圓筒形在近流線(xiàn)罩一側(cè)總壓接近，只有在靠近機(jī)殼外壁附近由于收縮段的影響總壓依次下降，但是總的積分值差距不會(huì)很大。噴嘴形集流器在徑向總壓變化幅度很大，造成該截面上積分值比前三種減小使總壓損失增大。


2.2風(fēng)機(jī)總壓效率隨流量變化比較
　　總壓效率即全壓有效功率與內(nèi)功率之比，它表征了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程的好壞，是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

　　圖6給出了風(fēng)機(jī)總壓效率曲線(xiàn)。由效率分布曲線(xiàn)可以看出，前三種形式的集流器在各工況下比較接近，但仍然可以看出圓弧形要比圓錐形好一些，圓筒形效率更低一些。采用噴嘴形時(shí)效率下降幅度較大，造成性能變差。
　　為分析效率差距的原因，在圖7中給出了集流器出口速度沿徑向分布。從圖中可以看出從流線(xiàn)罩到機(jī)殼外壁的半徑方向上，圓弧形、圓錐形在近流線(xiàn)罩側(cè)速度基本一致，而在近機(jī)殼外壁側(cè)由于收縮段的影響速度增大；圓筒形在近流線(xiàn)罩一側(cè)速度值稍大，在近機(jī)殼外壁側(cè)沒(méi)有增大直接下降為零；噴嘴形在近流線(xiàn)罩側(cè)與圓筒形類(lèi)似，但是在靠近機(jī)殼外壁附近，由于收縮擴(kuò)張管道的影響使速度分布跳動(dòng)很大，流動(dòng)損失較大從而使效率最低。


　　為進(jìn)一步分析集流器出口截面速度分布狀況，引入速度分布不均勻度來(lái)進(jìn)行比較。截面上速度分布不均勻度定義為該截面上所有點(diǎn)速度均方根值與平均值之比，即


　　應(yīng)用上式分別計(jì)算集流器出口處速度不均勻度數(shù)值見(jiàn)表2。由表中可以看出前三種形式速度不均勻度差距不大，而噴嘴形速度不均勻度數(shù)值明顯增大，說(shuō)明噴嘴形集流器使氣流不平穩(wěn)，造成流動(dòng)損失最大。



　　對(duì)于總壓效率變化的比較還可以從子午面內(nèi)速度分布來(lái)分析。圖8給出了集流器在子午截面內(nèi)的速度等高線(xiàn)圖，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)性只截取了一半的圖形，上側(cè)為風(fēng)機(jī)機(jī)殼壁面，下側(cè)為流線(xiàn)罩壁面。由圖可以看出速度分布總趨勢(shì)為在流道中央速度低，近壁面區(qū)域速度高。對(duì)不同集流器形式而言，圓弧形分布最均勻速度梯度變化不大，圓筒形和圓錐形其次，噴嘴形最差，這也與速度不均勻度值相符。其中噴嘴形在近壁面處速度梯度很大，并在集流器與機(jī)殼連接拐角處有較大的流動(dòng)損失，從而使其效率最低。


3結(jié)論
　　集流器形式對(duì)風(fēng)機(jī)整機(jī)性能有影響。常用的圓弧形、圓錐形和圓筒形三種形式對(duì)于壓升影響差別不是很大，總壓效率大體上以圓弧形最高，圓錐形其次，圓筒形最差。而本例所采用的噴嘴形則在壓升和總壓效率兩個(gè)方面大幅下降，通過(guò)分析集流器出口截面總壓、速度徑向分布以及速度不均勻度幾個(gè)方面可以發(fā)現(xiàn)造成該種形式總壓效率下降的一些原因。
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有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，全國(guó)在用風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的用電量約占全國(guó)發(fā)電總量的10%。其中，金屬礦山使用的風(fēng)機(jī)用電量占全國(guó)采礦用電總量的30%；鋼鐵工業(yè)使用的風(fēng)機(jī)用電量占其生產(chǎn)用電總量的20%；煤炭工業(yè)使用的風(fēng)機(jī)用電量占全國(guó)煤炭工業(yè)用電總量的17%。因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)，如何生產(chǎn)出更節(jié)能、環(huán)保的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，是一個(gè)需要高度重視的問(wèn)題。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，節(jié)能和環(huán)保是風(fēng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的永恒主題。那么，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)究竟該從哪里著手呢？

　　有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，研發(fā)節(jié)能風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，既要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)著手，又要從風(fēng)機(jī)的運(yùn)行著手。

　　首先，在設(shè)計(jì)方面，通過(guò)應(yīng)用葉輪、蝸殼等元件的科研成果，以及進(jìn)一步提高制造精度，力求使各種通風(fēng)機(jī)的效率平均提高5%～10%。目前，最先進(jìn)的離心式通風(fēng)機(jī)由于采用了三元流動(dòng)葉輪，其最高效率可達(dá)87%以上；效率較高的軸流式通風(fēng)機(jī)，其最高效率已達(dá)92%。

　　例如，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所于1992年為中低壓離心通風(fēng)機(jī)更新?lián)Q代而開(kāi)發(fā)成功的4-71、4-74三元流動(dòng)葉輪離心通風(fēng)機(jī)就屬于高效節(jié)能新產(chǎn)品，其效率比同類(lèi)型的老式風(fēng)機(jī)提高4%，平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)年節(jié)電量約為每小時(shí)2000千瓦。但由于該風(fēng)機(jī)使用的三元流動(dòng)葉片制造工藝比較麻煩，制造成本比普通葉片風(fēng)機(jī)較高，再加上該產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)高，使整臺(tái)風(fēng)機(jī)制造成本加大，用戶(hù)無(wú)法承受，也就無(wú)法在全行業(yè)全面推廣。

　　其次，利用引進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)高效節(jié)能風(fēng)機(jī)。例如，上海鼓風(fēng)機(jī)廠(chǎng)有限公司和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司分別引進(jìn)了德國(guó)TLT和丹麥諾文科公司的動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)技術(shù)；成都電力機(jī)械廠(chǎng)和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司引進(jìn)了德國(guó)KKK公司的靜葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)技術(shù)；武漢鼓風(fēng)機(jī)有限公司引進(jìn)了日本三菱重工的動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)技術(shù)；廣州風(fēng)機(jī)廠(chǎng)引進(jìn)了丹麥諾迪斯克通風(fēng)設(shè)備公司的軸流和離心通風(fēng)機(jī)技術(shù)；重慶通用（集團(tuán)）有限公司和四平金豐股份有限公司引進(jìn)了英國(guó)豪登公司的高溫風(fēng)機(jī)技術(shù)；石家莊風(fēng)機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司引進(jìn)了日本荏原公司的離心通風(fēng)機(jī)制造技術(shù)。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，有力地促進(jìn)了節(jié)能通風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。"十一五"期間，還應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)的需求，適當(dāng)引進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)及特殊用途風(fēng)機(jī)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)的空白。

　　此外，風(fēng)機(jī)產(chǎn)品節(jié)能與否，調(diào)整變速機(jī)構(gòu)，改變運(yùn)行工況十分重要。目前，大多數(shù)的風(fēng)機(jī)變速機(jī)構(gòu)比較落后，個(gè)別產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的三角皮帶、蝸輪副等作為調(diào)速裝置，大部分還是采用調(diào)節(jié)門(mén)調(diào)節(jié)。由于上述原因，盡管有的風(fēng)機(jī)內(nèi)效率較高（達(dá)86%以上），但其裝置效率并不甚高，有的甚至低至30%。隨著液力耦合器和變頻器在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用，大大提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，但應(yīng)用的數(shù)量極其有限。

　　與此同時(shí)，"十一五"期間還應(yīng)大力開(kāi)展節(jié)能型鼓風(fēng)機(jī)的研制工作，在這方面國(guó)外已經(jīng)走在了前面。如日本對(duì)蝸殼及葉輪等通流部分的形狀做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，有效地防止了渦流及流動(dòng)分離的產(chǎn)生，其絕熱效率比原來(lái)的離心鼓風(fēng)機(jī)提高5%～10%；瑞士制造的大流量離心式鼓風(fēng)機(jī)，每級(jí)均設(shè)有進(jìn)口導(dǎo)葉裝置，其多變效率達(dá)82%；日本制造的多級(jí)離心鼓風(fēng)機(jī)，采用進(jìn)口導(dǎo)葉連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)后，節(jié)能率達(dá)20%；高速單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)采用高轉(zhuǎn)速、高壓比半開(kāi)式徑向三元葉輪后，其效率可提高10%；還有的在鼓風(fēng)機(jī)主軸的另一端設(shè)有尾氣透平裝置，既符合環(huán)保要求，又達(dá)到了節(jié)能目的。羅茨鼓風(fēng)機(jī)已采用了三葉羅茨鼓風(fēng)機(jī)，既節(jié)能又降低了噪聲。

　　在離心式壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)方面應(yīng)更多地采用三元流動(dòng)葉輪，使葉輪效率平均提高2%～5%。如美國(guó)研制出的天然氣管線(xiàn)輸送離心壓縮機(jī)的三種大流量三元流動(dòng)葉輪，葉輪效率可達(dá)94%～95%；日本的單軸多級(jí)離心式壓縮機(jī)的效率水平也進(jìn)一步提高，其首級(jí)的大流量半開(kāi)式三元葉輪的絕熱效率達(dá)94%。其調(diào)節(jié)方式應(yīng)更多地采用工業(yè)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，以改變轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

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