摘要:使用CFD数值计算软件对一5.6号离心风机进风口与叶轮径向间隙(径向间隙&dela;与叶轮直径D2比值)分别为1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)时的整机进行三维数值模拟，并且与叶轮和进风口没有间隙的离心风机数值模拟结果进行对比。分析间隙对内部流场的影响，总结得到该离心风机全压、内功率和内效率随间隙变化情况 0引言 离心风机是工业生产部门使用非常广泛的机械设备，在冶炼、石油和化工等领域发挥着重要作用。其能否安全、经济的运行直接关系着各个生产部门的经济效益。离心通风机中的损失可分为流动损失、泄漏损失、轮阻损失和机械损失等。为了保证高速旋转的离心通风机旋转的可靠性，进风口和叶轮之间要有一定的间隙，由于存在这一间隙，气体经过叶轮前盖与进风口之间的泄漏形成循环流动，使叶轮对这部分流体的做功均被损失掉。这种损失被称为内泄漏损失。 一般经验认为，进风口与叶轮之间的径向间隙越小，内泄漏损失会越小，故在制造工艺和安全运行的条件许可下，间隙应尽可能小。但是由于制造工艺和加工成本的限制，间隙过小可能有较大的制造困难，所以要在兼顾多种因素的情况下，找到最佳的径向间隙量。 本文以某一高效离心风机（机号5.6号）为模拟对象，使用三维造型软件对进风口与叶轮径向间隙(&dela;/D2)分别为1mm(0.18%)、2mm(0.36%)、3mm(0.54%)和4mm(0.71%)时的离心2风机整机建模，对建模后的整机划分网格，再使用CFD数值计算软件对整机进行数值分析，最后对计算结果进行对比分析，得到不同间隙对该机号风机的全压、内功率和效率的影响，总结得到不同间隙对间隙内泄漏损失的影响。同时得到该机型的最佳的径向间隙。2不同径向间隙离心风机整机CFD数值模拟 2.1模型建立及网格划分 使用三维造型软件UG对进风口与叶轮径向间隙(&dela;/D2)分别为离心风机整机建模，图表示的为间隙1时的二维图。建模时将整机分为个区域，分别为进风口、叶轮、叶轮和进风口之间的间隙、以及机壳部分。 图2表示三维数值计算模型和网格，计算网格使用分块四面体网格，由建模的4部分组成。其中，间隙和叶轮部分设计为旋转网格。近壁面以及间隙部分网格加密处理，离心通风机整机网格总数为230万。 2.2CFD数值计算方法 在CFD数值计算中,使用K-ɛ湍流模型求解相对坐标系下守恒形式的三维Navie-sokes方程。空间项采用有限体积中心离散方法[5]。采用四阶Runge-kua法时间推进以获得定常解。为了加速收敛，采用多重网格法。 数值模拟的边界条件为：进口给定速度条件，根据不同流量给定不同的进口速度；出口为自由出口条件；叶轮给定旋转速度. 2.3内部流场分析 图3表示的是间隙为4mm时间隙中的速度分布，可以很明显的看到，蜗壳中压力较高的流体经过间隙重新流回叶轮，同时间隙对气流又产生了节流作用，气流的速度快速增加，并且在间隙处产生了涡流。通过间隙进入叶轮的气流再次和叶轮中的主气流混合。这与一般 的理论分析是一致的，叶轮对气体的做功的一部分消耗在了间隙内的循环上。 图4和5分别表示的是没有间隙和3种不同间隙时蜗壳中截面的总压分布。对比图4和5可以得到，没有间隙时的蜗壳中的总压比有间隙时要明显大，而且涡的分布也比有间隙时少。这就表明间隙会明显减小风机的做功能力。随着间隙的增大，蜗舌区域总压会明显降低，也会出现明显的涡流。这也表明间隙泄漏对蜗舌部位的气流影响较大。 2.4不同间隙时的全压和内效率比较 图6和7分别表示的是叶轮进口没有径向间隙和径向间隙与叶轮直径比值(&dela;/D2)分别为数值模拟的流量和全压曲线以及流量和内效率曲 线。从两张图可以很明显的看出，随着间隙的增大，在全流量工况，全压和内效率都有明显的下移。 从图6可以看出，在小流量区域，随着间隙的增大，虽然全压有一定的降低，但是降低的不是很明显，而且在全压降低到一定程度以后，基本不再降低；然而在大流量区域，压力降低的比较明显。这就说明在小流量区域，间隙的大小对全压的影响较小；在大流量区域， 间隙的大小对全压有较大的影响。这和理论分析的结果是一致的。 从图7可以看出，和没有间隙时的理想情况比，径向间隙会明显的降低整机的内效率，随着&dela;/D2的增大，在小流量区域，内效率变化不是很明显；在大流量区域，内效率下降的比较明显。在大流量区域，&dela;/D2为0.18%时，内效率和没有间隙时的情况比较接近，并且&dela;/D2为0.36%和0.54%时内效率比较接近，而当&dela;/D2为0.71%时，效率又有比较明显的下降。 对于该5.6号的风机，一般情况下做到&dela;/D2为0.18%要求比较高，实现起来既耗费时间又增加成本，但是同时又不希望效率降低过大，由于&dela;/D2由0.36%增加到0.54%时内效率变化较小，所以该型风机最佳的径向间隙量&dela;/D2为0.54%，这与经验公式要求的一般间隙约为0.5%D2的要求是相符合的。 3结论 1）使用CFD数值计算软件对一5.6号高效离心风机进风口与叶轮径向间隙(&dela;/D2)分别为时的整机进行三维建模和数值模拟，并且与没有间隙时的数值模拟结果进行对比。结果表明，蜗壳中压力较高的流体经过间隙重新流回叶轮，同时间隙对气流又产生了节流作用，气流的速度快速增加，并且在间隙处产生了涡流。 2）不同间隙时蜗壳中截面的总压分布表面，随着间隙的增大，蜗舌区域总压会明显降低，也会出现明显的涡流。间隙泄漏对蜗舌部位的气流影响较大。 3）随着间隙的增大，在全工况内，全压和内效率都会减小。在综合考虑制造成本和径向间隙对内效率的影响，得到该机型最佳的径向间隙与叶轮直径的比值&dela;/D2为0.54%。

   离心通风机中，气流经叶轮做功后压力增高速度增加，虽然经过了扩压器的扩压，速度进一步降低转化为压力能，但是通风机中的扩压器基本都很简单，相对高速的气体进入蜗壳不但会出现尾流-射流现象，而且由于叶轮出口到蜗壳的突扩会在叶轮出口处产生不同旋转强度的旋涡，这些都极大的影响了风机的效率。为了减少这种旋涡的出现，常常在蜗壳中安装整流板，通过减小突扩从而减少大强度的旋涡，其结构如图9所示。 本文研究了三个带不同长度整流板的风机，其中model1风机整流板长度是180mm，model2风机的整流板长度是100mm，model3风机的整流板长度是70mm。三种模型相同位置网格疏密情况基本一致，蜗舌部分和蜗壳叶轮ineface部分的网格尺寸相同；三种模型的蜗壳网格数分别是714687、718966和730124；叶轮和进口集流器部分使用相同的模型，叶轮和进口集流器之间的间隙为2mm。       图10是整流板长度不同的模型风机整机模拟的性能曲线图，可以看出三种模型的全压和流量均达到了设计要求，在设计工况下model2的全压分别比model1和model3的全压高了2.5%和1.18%，在大流量时model2的全压分别比model1和model3的全压高了6.3%和0.85%，在小流量下相差则不是很大；效率的趋势则基本与全压趋势保持一致，小流量下三种模型效率相差不大，在设计工况下model2的效率分别比model1和model3的效率高了1.19%和1.13%，大流量下model2的效率则分别比model1和model3的效率高了7.1% 和0.75%。 图11是不同长度整流板的风机设计工况下跨盘盖中心截面的静压分布，可以看出随着半径的增大，整流板不同的三个模型静压都增加了，且三种模型的静压分布状况相似，不同的是model1出口压力较低，气流从叶轮进入蜗壳后静压迅速上升，model2和model3 出口压力基本相同，气流从叶轮进入蜗壳后压力逐渐升高。图12是不同长度整流板的风机设计工况下叶轮中心截面的相对速度分布，可以看出三个模型都在靠近蜗舌处的两个叶道内出现了涡旋，其中model2在上游的那个流道涡旋强度较大，下游流道涡旋强度很小，流 动状况最好，model1虽然在两个流道内都产生涡旋，涡旋强度较大，流动状况尚可，model3在两个流道内都产生了比较大的涡旋，基本占据整个流道，流动状况最差。这也说明风机下游设备会对上游设备产生影响。   结论：比较了不同长度的整流板对风机性能的影响，整流板过长会使其距离叶轮前盘的间隙过小，气流在从叶轮进入蜗壳的时候流动非常不均匀，产生较大的流动损失，影响了风机的全压和效率，整流板太短则会明显减弱集流器与叶轮之间的气体泄漏阻挡效果，也会影响 全压和效率，合理长度的整流板会破坏因为叶轮、蜗壳突扩产生的大尺度漩涡，同时对进口集流器和叶轮之间的气体泄漏也有一定的阻挡作用，减少了流动损失和泄漏损失，提高了全压和效率。