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摘 要：离心风机叶片形式一般有单板型和机翼型两种形式，单板型叶片抗磨损性能好些，而机翼型叶片流体动力特性要好一些。本文针对风机叶片积灰振动情况，对两种叶型的离心风机进行仿真模拟。分析叶片附近区域的流场情况。并对某风机进行了改进研究，取得了比较理想的效果。
关键词：风机;叶片;模拟;流场
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
离心风机叶片有单板型和翼型两种形式。单板型叶片抗磨，但流动特性不好，这样会导致含尘风机在运行过程中更容易发生积灰振动现象 [1]，积灰振动导致风机不能连续稳定运行，能耗增加，成本上升。而翼型叶片具有良好的流动特性，有利于风机安全稳定的运行。
本文以我国东北某电厂锅炉引风机为例，分别对改造前单板型叶片和改造后双层叶片中间加支撑板的翼型叶片进行模拟，结合实际应用情况对改造前后风机进行详细的对比分析，为单板型叶片改造成翼型叶片提供理论依据。
该电厂引风机改造前后基本参数：单板型叶片风机型号Y5-48-11 №14.5D，風机流量54645-118779m3/h，风机全压6735-3914Pa，主轴转速1450r/min；机翼型叶片风机型号Y5-49-11 №15D，风机流量60493-121348m³/h，风机全压4308-6822pa，主轴转速1450r/min。为尽量减少改动量和节约经费，改造过程定为，只更换风机机壳和叶轮，保留原风机基础及电动机。
2 FLUENT数值模拟
2.1 离心风机内部流场研究
离心风机内部流动一般说来是比较复杂的三维湍流流动 [2]。叶轮内部流动的好坏直接决定着整级乃至整机的性能和效率[3～4]。20世纪90年代开始，离心泵叶轮内流数值模拟进入了一个三维黏性数值模拟时期[5]。随着大型商业化CFD 软件的出现, 给数值模拟工作带来了很大的便利, 利用商业CFD软件对风机的全三维流场进行模拟已越来越普遍[6]。
2.2 计算方法及边界条件
由于颗粒在气流中的份额很低而对气流的影响可以忽略, 所以可采取单相介质模型，本文选用理想气体作为介质流体。计算是基于稳态不可压缩三维定常雷诺时均N-S方程[7]（Navier-stokes）,采用segregated隐式求解器三维稳态算法，湍流模型用标准的k-ε模型。压力-速度耦合使用SIMPLE算法[8]。
网格采用Fluent 内附的Gambit 软件来划分[9]。由于划分区域形状不规则，网格类型选用TGrid。将风机分成进口、蜗壳、叶轮以及中心区域四部分，根据各部分区域尺寸来划分网格大小。翼型叶轮风机和单板叶轮风机网格数量分别为1006979和1122306。网格如下图所示。
图1翼型叶轮数值模拟网格图 图2 单板型叶轮数值模拟网格图
流场入口选用速度入口（velocity-inlet）边界条件，气流入口风方向垂直入口边界。给定速度24m/s，实际测得烟气温度120℃；流场出口选用压力出口（pressure-outlet）边界条件[10]。烟气出口温度为125℃；叶轮定义为动网格[11]（moving mesh），叶轮流动区采用旋转坐标系，旋转速度1450rpm，方向遵循右手定则。
3计算结果及分析
通过模拟风机内部流场，可以获得风机内部速度和压力等参数分布图。叶轮参数改变其内部流场也会发生变化。
图3 翼型叶片周围速度矢量图图4 单板型叶片周围速度矢量图
上图整个流场叶片的上部分为非工作面流场，下部分为工作面流场。单板型叶片周围流场与机翼型叶片周围流场对比发现，在单板型叶片非工作面有严重涡流和回流现象。这是由于单板叶片气流流道没有流线型设计，气流通过流道时急剧变化，极易产生涡流，涡流的产生会在叶片非工作面上形成流体低速区域。在该区域内气流携带粉尘的能力下降, 同时气流停留时间增长, 粉尘非常容易沉积在叶面上[12]；而机翼型叶片非工作面涡流现象明显降低，这是因为扭曲或弯曲流线型叶片可改善气流状况，减少涡流。
图5 翼型叶片非工作面压力分布图 图6 单板型叶片非工作面压力分布图
上图为单个叶片非工作面的压力分布图，并绘制了等值线。观察两种叶片非工作面的压力分布图，在靠近叶片根部均产生大面积低压区，而机翼型叶片低压区要比单板型叶片低压区相对高一些，低速低压区极易积灰。
4 实际应用情况
单板型风机气流流经叶片截面产生分离时，引起叶片上的压力脉动，辐射出非稳定流动噪声较大。同时单板风机叶片为加强叶轮叶片的强度和刚度，加装补强中盘以及加焊加强筋，使其重量大幅度增加，相比机翼型空心叶片重量偏重。改造前单板型叶片投入运行最大电流为438A，经改造后风机正常启动，翼型叶片投入运行最大电流为375A。电流降低了大约15%。可见单板型叶片增加了电动机启动和运行负荷。改造前该电厂经常发生积灰振动现象，锅炉运行周期很短，最短在7天左右，最长在20天左右。经改造后投入运行迄今为止4个月，在此期间没有发生积灰振动现象。
5 结论
单板型叶片易产生涡流和低压区，极易发生积灰振动。翼型叶片相比单板型叶片，具有更加良好的气流流动状况，降低了涡流的产生，能够有效的减小引风机振动频率；改造全过程费用将近6万元，投资比较低；改造后风机电流明显下降，节省了能量。达到了预期效果。
参考文献
[1] 吕太，张炳文，王顺等.机翼型叶片防止积灰的机理与技术[J].风机技术,2002(3):5～7.
[2] 刘瑞韬，徐忠. 离心叶轮机械内部流动的研究进展.力学进展，2003，33（4）：518～524
[3] Moore J，Moore J G. Three-dimensional viscous flow calculations for assessing the thermodynamic performance of centrifugal compressors-study of the Eckardt compressor. ASME Journal of Engineering for Power.1981，103：367～372
[4] Johnson M W，Moore J. The influence of flow rate on the wake in a centrifugal impeller.ASME Journal of Engineering for Power，1983，105:33～39
[5] 侯树强, 王灿星, 林建忠. 叶轮机械内部流场数值模拟研究综述.流体机械.2005,33（5）:30～34
[6] 从静华, 常思勤. 便携式风力灭火机风机内部气流分析[J] . 南京林业大学学报( 自然科学版) , 2003, 27( 6) : 55～58
[7] 张永学，李振林. 流体机械内部流动数值模拟方法综述. 流体机械.2006,34(7:) 34～38
[8] 韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用．北京：北京理工大学出版社，2004．3～27
[9] 李建锋, 吕俊复. 风机流场的数值模拟.流体机械.2006,34(4):10～13
[10] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社，2004
[11] 江 帆，陈维平，王一军等. 基于动网格的离心泵内部流场数值模拟.流体机械.2007,35（7）:20～24
[12] 吕太， 王顺，施利等.离心风机负荷变化对叶片积灰的影响研究.流体机械.2003,31（4）:18～21
关键词：风机;叶片;模拟;流场
中图分类号：C35文献标识码： A
1引言
离心风机叶片有单板型和翼型两种形式。单板型叶片抗磨，但流动特性不好，这样会导致含尘风机在运行过程中更容易发生积灰振动现象 [1]，积灰振动导致风机不能连续稳定运行，能耗增加，成本上升。而翼型叶片具有良好的流动特性，有利于风机安全稳定的运行。
本文以我国东北某电厂锅炉引风机为例，分别对改造前单板型叶片和改造后双层叶片中间加支撑板的翼型叶片进行模拟，结合实际应用情况对改造前后风机进行详细的对比分析，为单板型叶片改造成翼型叶片提供理论依据。
该电厂引风机改造前后基本参数：单板型叶片风机型号Y5-48-11 №14.5D，風机流量54645-118779m3/h，风机全压6735-3914Pa，主轴转速1450r/min；机翼型叶片风机型号Y5-49-11 №15D，风机流量60493-121348m³/h，风机全压4308-6822pa，主轴转速1450r/min。为尽量减少改动量和节约经费，改造过程定为，只更换风机机壳和叶轮，保留原风机基础及电动机。
2 FLUENT数值模拟
2.1 离心风机内部流场研究
离心风机内部流动一般说来是比较复杂的三维湍流流动 [2]。叶轮内部流动的好坏直接决定着整级乃至整机的性能和效率[3～4]。20世纪90年代开始，离心泵叶轮内流数值模拟进入了一个三维黏性数值模拟时期[5]。随着大型商业化CFD 软件的出现, 给数值模拟工作带来了很大的便利, 利用商业CFD软件对风机的全三维流场进行模拟已越来越普遍[6]。
2.2 计算方法及边界条件
由于颗粒在气流中的份额很低而对气流的影响可以忽略, 所以可采取单相介质模型，本文选用理想气体作为介质流体。计算是基于稳态不可压缩三维定常雷诺时均N-S方程[7]（Navier-stokes）,采用segregated隐式求解器三维稳态算法，湍流模型用标准的k-ε模型。压力-速度耦合使用SIMPLE算法[8]。
网格采用Fluent 内附的Gambit 软件来划分[9]。由于划分区域形状不规则，网格类型选用TGrid。将风机分成进口、蜗壳、叶轮以及中心区域四部分，根据各部分区域尺寸来划分网格大小。翼型叶轮风机和单板叶轮风机网格数量分别为1006979和1122306。网格如下图所示。
图1翼型叶轮数值模拟网格图 图2 单板型叶轮数值模拟网格图
流场入口选用速度入口（velocity-inlet）边界条件，气流入口风方向垂直入口边界。给定速度24m/s，实际测得烟气温度120℃；流场出口选用压力出口（pressure-outlet）边界条件[10]。烟气出口温度为125℃；叶轮定义为动网格[11]（moving mesh），叶轮流动区采用旋转坐标系，旋转速度1450rpm，方向遵循右手定则。
3计算结果及分析
通过模拟风机内部流场，可以获得风机内部速度和压力等参数分布图。叶轮参数改变其内部流场也会发生变化。
图3 翼型叶片周围速度矢量图图4 单板型叶片周围速度矢量图
上图整个流场叶片的上部分为非工作面流场，下部分为工作面流场。单板型叶片周围流场与机翼型叶片周围流场对比发现，在单板型叶片非工作面有严重涡流和回流现象。这是由于单板叶片气流流道没有流线型设计，气流通过流道时急剧变化，极易产生涡流，涡流的产生会在叶片非工作面上形成流体低速区域。在该区域内气流携带粉尘的能力下降, 同时气流停留时间增长, 粉尘非常容易沉积在叶面上[12]；而机翼型叶片非工作面涡流现象明显降低，这是因为扭曲或弯曲流线型叶片可改善气流状况，减少涡流。
图5 翼型叶片非工作面压力分布图 图6 单板型叶片非工作面压力分布图
上图为单个叶片非工作面的压力分布图，并绘制了等值线。观察两种叶片非工作面的压力分布图，在靠近叶片根部均产生大面积低压区，而机翼型叶片低压区要比单板型叶片低压区相对高一些，低速低压区极易积灰。
4 实际应用情况
单板型风机气流流经叶片截面产生分离时，引起叶片上的压力脉动，辐射出非稳定流动噪声较大。同时单板风机叶片为加强叶轮叶片的强度和刚度，加装补强中盘以及加焊加强筋，使其重量大幅度增加，相比机翼型空心叶片重量偏重。改造前单板型叶片投入运行最大电流为438A，经改造后风机正常启动，翼型叶片投入运行最大电流为375A。电流降低了大约15%。可见单板型叶片增加了电动机启动和运行负荷。改造前该电厂经常发生积灰振动现象，锅炉运行周期很短，最短在7天左右，最长在20天左右。经改造后投入运行迄今为止4个月，在此期间没有发生积灰振动现象。
5 结论
单板型叶片易产生涡流和低压区，极易发生积灰振动。翼型叶片相比单板型叶片，具有更加良好的气流流动状况，降低了涡流的产生，能够有效的减小引风机振动频率；改造全过程费用将近6万元，投资比较低；改造后风机电流明显下降，节省了能量。达到了预期效果。
参考文献
[1] 吕太，张炳文，王顺等.机翼型叶片防止积灰的机理与技术[J].风机技术,2002(3):5～7.
[2] 刘瑞韬，徐忠. 离心叶轮机械内部流动的研究进展.力学进展，2003，33（4）：518～524
[3] Moore J，Moore J G. Three-dimensional viscous flow calculations for assessing the thermodynamic performance of centrifugal compressors-study of the Eckardt compressor. ASME Journal of Engineering for Power.1981，103：367～372
[4] Johnson M W，Moore J. The influence of flow rate on the wake in a centrifugal impeller.ASME Journal of Engineering for Power，1983，105:33～39
[5] 侯树强, 王灿星, 林建忠. 叶轮机械内部流场数值模拟研究综述.流体机械.2005,33（5）:30～34
[6] 从静华, 常思勤. 便携式风力灭火机风机内部气流分析[J] . 南京林业大学学报( 自然科学版) , 2003, 27( 6) : 55～58
[7] 张永学，李振林. 流体机械内部流动数值模拟方法综述. 流体机械.2006,34(7:) 34～38
[8] 韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用．北京：北京理工大学出版社，2004．3～27
[9] 李建锋, 吕俊复. 风机流场的数值模拟.流体机械.2006,34(4):10～13
[10] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京：清华大学出版社，2004
[11] 江 帆，陈维平，王一军等. 基于动网格的离心泵内部流场数值模拟.流体机械.2007,35（7）:20～24
[12] 吕太， 王顺，施利等.离心风机负荷变化对叶片积灰的影响研究.流体机械.2003,31（4）:18～21