核级离心通风机流场、运行性能及振动特性分析

摘 要：本文采用数值计算方法，对某型号离心通风机的运行状况进行模拟，验证其设计性能。

关键词：离心通风机；流场分析；运行分析；振动分析

中图分类号：TH452 文献标识码：A

1.工作原理

多翼离心通风机利用叶轮高速转动所产生的离心力驱动空气流动，将机械能有效地转化为气流流动时的动能和压力势能。其结构简单，主要包括集流器、叶轮和螺旋形机壳（蜗壳）3部分。离心通风机压力系数高、流量系数大、运行稳定、噪声较低，因此被广泛运用到工程项目的通风系统中。离心通风机的工作过程如下：叶轮旋转时，叶片流道空间的气流随叶片旋转而旋转，从而获得动能。气流在离心力作用下经叶端被高速抛出，甩入螺旋状机壳。机壳横截面面积沿螺旋线方向缓慢增大，因此气流速度逐渐减小，动压被有效地转化为出口静压。与此同时，叶根处形成低压区，压差驱使外界空气经集流器流入叶轮，补充先前被抽走的空气，至此形成连续流动。

2.离心通风机气动性能验证

离心通风机气动性能参数主要有流量、全压、静压、效率（叶轮效率）等。能量从电机传递到轴，然后再传递到叶轮上，叶轮效率计算式为，（M为叶轮克服气流作用的力矩大小，ω为叶轮转动角速度，P0为风机出口平面按流量平均的全压大小，Q为气流入口体积流量，由于压强变化不大，因此也可以看作出口体积流量）。全压为静压与动压之和，表征了气流出口的有效总能量，可以克服下游的风道阻力，因此本文着重考察风机的（全压）叶轮效率。计算中控制离心通风机出口流量16670m3/h不变，设定转数1700rmp，出口平面按流量平均得到的静压为1045.3Pa，全压1189.6Pa，此时的叶轮全压效率为64.11%。集流器与叶轮之间存在间隙，流经叶轮后的部分气流从蜗壳内的空间通过间隙再次进入叶轮形成循环流动，这将消耗部分叶轮所做的功，利用进出口气流总焓差再与叶轮所做的功作差即可得到，大约为1.56%。全压损失最大的区域出现在叶轮和蜗壳内，也是最有可能实现设计改进的部分。出口延伸区域有较大的回流，但气流流速不高，损失较小，约1.33%。综上，该型号的离心通风机在1700rp转数条件下能达到额定的靜压和全压；风机入口处的轮轴尽管较大，但对性能影响较小；同时须看到风机效率大约为64%，大量的耗散损失发生在叶轮和蜗壳处，因此可对这两部分的设计进行改进。

3.叶轮受力分析

对于单吸式离心通风机，通常叶轮轮盖和轮盘两侧存在压力差，由此产生较大的轴向推力。过大的轴向推力会增加主轴承的轴向负荷，使得主轴容易产生额外的温升和金属疲劳，从而降低轴承的使用寿命。而双侧进气离心风机，对称性较好，叶轮两侧的轴向受力更加均衡，安全性也较高。从对离心风机的定常计算结果中将气流对叶轮的面载荷积分得到合力和合力矩，可以得出整体合力数值较小，特别是轴向平衡较好。反力矩的大小随着转数的增大而增大。

4.气动噪声大小及声源位置的结果

本文考察了该离心风机的气动噪声情况，计算了距风机一米处轴向位置的噪声值。随转数增加噪声值增大，噪声大小基本处在70～74分贝的范围内。利用《工业通风机噪声限值》标准进行校核。依据其中所提供的比A声级计算公式LSA=LA-10lg（Qp02 ）+19.8得到3种情况下LSA依次为26.75dB，26.13dB，24.92dB。观测点与叶轮中心连线和转轴平面的夹角为Theta，得出距离1m处不同Theta角的观测点噪声，发现与转轴垂直方向上噪声最小，水平方向上最大。

5.叶轮振动振型计算结果

对风机转子进行模态分析，并采用LANCZOS法提取模态，得到风机转子的前10阶自振频率和前6阶模态振型。由于在风机转子有限元模型中，未施加约束转子绕主轴的转动自由度，因此转子一阶振动频率接近于零，转子的一阶模态为绕主轴的转动。二阶模态的振动频率为154.558Hz，即转子的共振频率，转子的共振频率较高，远离电机的转动频率，在运行过程中不会发生转子与电机的共振现象。进一步对风机整体模型进行模态分析，采用LANCZOS法提取模态，得到风机的前10阶自振频率和前10阶模态振型。离心通风机的一阶振动频率为52.897Hz，风机底座及蜗壳具有较高的刚度，且与电机的转动频率错开，当风机底座与基础连接牢固时，不会发生风机与电机的共振现象。

6.对通风机结构改型的建议

通过分析可以得出若要提高通风机的效率，则需要抑制叶轮内部的分离，使得叶轮出口面上低总压区的能量足够高。要抑制分离有3个方法：方法一是在叶间通道内加入短叶片，强制引导流体通过。但是该方法实行起来并不容易，包括短叶片取多长，加在压力面与吸力面之间的什么位置，角度如何选取等；方法二是改变叶片与轮盘和轮盖的夹角，有资料表明叶片吸力面与轮盘夹锐角，轮盖夹钝角能有效改善后向通风机的效率，但本文未作尝试，考虑到空间曲面的叶片设计加工困难；方法三是通过缩小叶间通道的流道来加速流体，增强其对抗反压的能力，本文采用了这种方法，具体做法是缩小叶轮的出口宽度。

结论

通过采用通用有限元分析软件ANSYS对4-75x2NO.6核级离心通风机进行数值模拟，验证了风机的设计性能及结构的振动特性，同时对离心通风机内部的特殊流动结构进行了说明并提出了改进的一些建议。

参考文献

[1]毛义军，汤宏涛.双吸离心通风机流场数值研究[J].流体机械，2013（11）：37-42.

推荐访问:振动 特性 性能 运行 分析