摘要：通过用SIMPLE算法编制的程序对离心引风机在不同工况时流场的数值模拟，分析了流场与引风机叶片积灰的特性，从而得出了离心引风机负荷对积灰的影响的结论。 1引言 在电站、石油、冶金、化工及城市供热锅炉的运行过程中，引风机叶片由于各种原因不可避免地发生积灰，因此叶片积灰是一个普遍而又十分值得研究和处理的问题，也是生产现场中的一大难题。引风机叶片上沉积物的存在会造成叶轮的不平衡和振动，致使轴和轴承上的负荷增加，引风机的电流也会增加，严重时还会引起风机和电机的地脚螺栓断裂，造成轴和轴承及叶轮等其它的零部件损毁，更严重时会引起引风机飞车事故 [1]。本文从流场角度分析了某热电厂引风机的运行负荷对其叶片积灰的影响，为生产现场调整运行方式和改进设计提供了理论依据。 物理描述 2.1 现象描述 引风机在额定负荷运行时，气流进入引风机叶片流道的角度与叶片的进口安装角相当，这时气流的冲击角为零，气流没有冲击平滑地流入叶片通道。当引风机低于额定负荷运行时，由于进口速度方向的改变，气流冲击角小于叶片的进气安装角而形成了正冲击角；叶片的非工作面将出现边界层气流的分离和气流的回流，而且在非工作面上形成了漩涡且沿着叶片的径向方向发展，最终使叶片在非工作面上产生积灰[1-4]。 2.2 模拟对象 以某热电厂锅炉引风机为模拟对象，其结构如表1，在模拟过程中不考虑叶片厚度的影响。 　　　　　　　　　　　　　表1风机的结构参数 型　号 Y4-73-11№20D 叶轮出口直径/mm 2000 转速/(/min) 960 叶轮进口直径/mm 1460 出口压力/kPa 4.5 进口安装角/(°) 16 叶片数/个 12 出口安装角/（°） 45 流　量/(m3/h) 178010 叶轮宽度/mm 700     3  数学描述 3.1 控制方程 原则上气流为气固两相流动，但实际上由于颗粒在气流中的份额很少而对气流的影响可以忽略，所以采取单相介质模型。气流在叶片流道中流动，在采用相对直角旋转坐标下，坐标系统示意图如图１所示，可近似地认为是二维稳态不可压缩流体的流动，应用修正的κ-ε湍流模型，则流体的控制方程的统一形式为        3.2 边界条件    进口边界条件——进口速度可根据流量和速度三角形来共同确定，湍动能按进口0.5%(u2+v2)给定，而耗散率按0.1%的湍动能给定[6]。    出口边界条件——出口处的压力为4.5kPa，沿流线的一阶偏导数为零，并且遵循质量守恒定律。    壁面边界条件——按壁面函数法确定[7]。 4 数值计算 由于流体流动的通道形状不规则，为此采用贴体坐标系，利用Vinko[8]将物理平面网格转换为计算平面网格；坐标变换后的通用控制方程为                                   按给定的压力场求解出的速度场未必能满足连续性方程，所以在得出速度场后应对压力场进行修正，压力修正后可重新求得速度场，最终可导得压力修正方程和速度修正方程分别为:            采用交错网格的方法对整个区域进行40&imes;20网格划分，采用幂函数方案作为对流扩散方式，采用SIMPLE方法[9]对流场进行计算，最后可得到流场的数值解。图2和图３为在不同工况时的流场数值解，D代表引风机运行的额定负荷。  文献提供的试验数据在额定负荷时的对比，数据位置在风机叶片径向的1/3，2/3处，通过对比发现程序和模型有较高的准确性。可作为流场的预报有效工具。 5 结果分析 根据对计算流场的分析可得知，引风机在满负荷时，由于流体流动方向几乎与叶轮通道进口安装角一致，而相对速度流场分布比较均匀，在非工作面壁面上，由于离心力和哥氏力及介质粘性的影响，有气体分离和在贴壁处薄层存在少量回流，相对总压分布也十分均匀，这几乎对叶片的积灰没有影响；随着负荷的不断下降，在风机进口处没有设置预旋装置的情况下，进口速度发生偏离且和叶轮通道的进口安装角形成一个差角，从而流动主流区逐渐向工作面方向偏移，在叶片的非工作面及附近区域形成负压区域而出现较大区域的分层和气流漩涡及回流，并且在叶片的非工作面上的范围在径向不断扩大，在与非工作面垂直方向上也逐渐扩展，负压区域也在不断扩大。随着负荷的不断下降，这种现象更加明显并将会布满整个叶片范围，这是因为离心力随半径的增加而增大的缘故。从图中可以看出，在引风机负荷为80%以下时，气流的分离，漩涡及回流比较显著；随着负荷的不断下降，这种现象更加明显和突出。由于漩涡，回流和气流分离，加上这些区域的流速不是很大，低速区域随负荷的不断下降而逐渐扩大，因而使气流携带粉尘的能力下降，且增加了气流在叶片非工作面及附近区域的停留时间，再加上离心力和哥氏力的综合影响，粉尘更容易沉积在叶片的非工作面上并且随着负荷的降低而不断扩大，叶片积灰也越严重。所以看出引风机负荷是影响叶片积灰的重要因素之一。 6 结论      通过某热电厂Y4-73-11№20D引风机的流场的数值分析，对其不同工况时流场和积灰的分析，在风机负荷将到80%时，叶片非工作面上有明显的积灰存在；当引风机负荷将到60%时，积灰比较严重；无论是在现场的长期运行中还是在进行负荷试验的过程中都发现，当引风机负荷将到65%时已出现特别明显的积灰并且振动，必要时须清灰；上述情况与数值分析结果较为一致。由数值模拟的结果可知，为了保证引风机不产生积灰和振动而安全稳定运行，引风机运行负荷应不低于80%为宜。                

  摘要:介绍了新模型系列风机的快速优化设计计算方法,为简化设计计算及方便实践应用,采用了电子表格进行风机机号、性能参数流量压力的取值即最高转速确定匹配关系:与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系;与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系:与电机功率安全系数、电机极数匹配关系的应用计算。并以CF51新模型系列风机采用电子表格设计计算方法为例,进行详细说明。   随着我国国民经济的快速发展,以及国家对环保节能产品的要求,近年来风机行业协会、各大院校研究所、风机专业制造厂家都在积极研发新型节能高效低噪环保的风机气动模型,并取得了相当的成绩。但也存在着重理论气动模型研发、对与工厂制造衔接的系列优化规划与部件结构工艺设计重视不够,使研发的新模型风机特别是在工业领域风机,无论在研发进度、研发质量、使用可靠性上都未真正体现新模型风机气动性能研发价值。笔者在风机行业从业多年,已有多个新模型系列风机产品成功研发成为公司主导产品。现对新模型系列风机用电子表格计算(Excel)的快速优化设计方法予以阐述设计思路 无论是引进消化、校企合作还是自主开发,当新模型风机气动性能样机经实测达到设计要求,就需转入系列优化规划设计与部件结构工艺设计等具体开发内容上来。系列规划设计中涉及风机机号、性能参数流量压力的取值即最高转速确定匹配关系:与风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命的匹配关系;与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系;与电机功率安全系数、电机极数匹配关系等。上述系列规划设计完成以后,就可转入结构工作图设计。笔者以CF51新模型风机系列规划用电子表格计算为例,进行详细说明。 风机机号、性能流量压力的分布取值范围 CF51风机叶轮采用强后向多圆弧板式叶片,叶轮直径800m时的样机最高效率79.5%、全压系数为0.512、比转速为27.4。 CF51风机机号叶轮直径尺寸按GB/T17774《工业通风机尺寸》标准,取为315、355、400、450、500、560、710、800、900、1000、120、1250、1400、1600、1800、2000等共十六个机号。 CF51性能参数流量压力的取值须经前期市场调研,满足弥补本公司选型的空白点,及对本公司历史产生的较多非标定制进行统计,初步的确定性能参数流量压力的取值。对中小型工业风机而言,在全压系数、比转速、风机机号确定的情况下,确定性能参数一般即指最高转速确定后的 最高压力取值CF51机号500风机初定设计最高转速为4200/min,最高全压为8125Pa,见表1; 表1~表2中用电子表格计算方式,原始参数为CF51样机测试值,改变设计参数值中的机号/叶轮直径D1、风机转速n1、进气介质密度p1即可进行风机性能的变换计算。 3风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命 当初步的性能参数流量压力的取值、最高转速确定以后,需进行转子组主轴强度、临界转速轴承寿命等的计算。CF1风机均按C式三角带传动进行配置计算,对其中CF51机号500、800250、2000风机的转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命初定设计配置计算见图1、表5风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命电子表格计算方式见表六,以CF51机号800风机为例。CF51机号800风机初定设计最高转速为2900/min,计算结果为主轴强度:RB处最大复合应力o&l;[o-1]w主轴(一般碳素钢)许用弯曲应力,20.38MPa40~65MPa,主轴强度满足安全要求。 主轴临界转速:主轴计算临界转速nc=5745/min,800风机初定设计最高转速n=2900/min,计算的安全系数nc/n=5745/2900=1.98,nc〉1.3n主轴临界转速满足安全要求。以nc&g;1.3n为安全系数反算,主轴最大可运行转速n4419/min，轴承寿命:CF51机号800风机最高全压为0447Pa,必须考虑轴向力Fa对轴承寿命的影响, 以RA或RB取较大受力支点计算(非相同型号轴承需都算一下),计算的轴承寿命为107160h≈12.23年,满足寿命要求注意序号8带轮直径D尺寸2对主轴RA或RB的受力及轴承寿命影响,需反复核算。 在轴承寿命计算时,必须计入离心通风机的轴向推力回。单吸入风机在运转过程中产生的轴向推力对轴承寿命影响,如采用深沟球轴承计算寿命通不过时,可采用球面滚子、角接触球等不同类型轴承反复核算,达到100以上理论寿命为妥,采用不同类型轴承时,需注意轴承极限转速对风机最高允许运行转速的限制。   表6的电子表格计算方式,可通过改变设计原始参数值中序号112风机叶轮重量、风机转速、轴承箱主轴、功率、带轮直径等设计参数值,即可进行风机转子组的变换计算。 4与风机叶轮轴盘尺寸的匹配关系 CF51风机比转速为27.4,属中低比转速风机,叶轮叶片出口宽度较窄。一般工厂内部都有规格化的轴盘尺寸系列。按以上方法初定好转子组规格,其主轴直径、轴承型号、对应轴盘外径及轴盘内孔基本确定。为防止叶轮轴盐搭子对叶片进口流道堵塞,需进行叶轮轮盖进口与轴盘搭子的截面积之比校核,见表7。 表7中的A值,文献[6-7]给出了设计理论参数,考虑满足系列规划设计及轴盘“三化&dquo;要求,笔者认为轮盖/叶片进口圆环面积比A、叶轮内轴盘搭子高度hl/叶轮叶片出口宽度b2比B,满足或接近模型样机系数值,且尽量保证轴盘搭子与进气气流流通面为弧形圆滑过渡,是可以满足相似设计条件的。   5与电机功率安全系数、极数匹配关系 表8中的允许最大轴功率值,与表一~表四中用电子表格计算,改变设计参数值中的机号/叶轮直径D、风机转速n1l、进气介质密度p1得出的NI内功率相匹配校核,在保证电机安全系数的情况下,得到最大的性能参数流量压力值,并最终确定电机规格。   6结论 我公司近些年在新模型风机气动性能研发、样机测试完成以后,通过在系列优化规划与部件结构工艺设计等具体开发内容上产生的问题,不断总结,逐步摸索出采用电子表格计算的方法,掌握了一套快速准确完成系列优化规划转入结构工作图设计的实用方法。该方法对离心风机、轴流风机、空调风机、工业风机、单进风风机、双进风风机均适用。并建议为满足系列化、标准化、通用化的“三化&dquo;要求,建议有实力的风机厂在新模型风机研发前期准备时,应考虑对转子组传动箱、轴盘等工厂内部基础标准件进行整理完善,来满足与研发风机全系列机号的合理匹配,为转入结构工作图设计带来方便。 本文的CF51新模型风机系列优化规划的快速设计,所有的表格内容数据均为计算最终稿,实际需运用电子表格进行风机转速、风机转子组主轴强度、临界转速、轴承寿命、叶轮轴盘尺寸、电机功率匹配等参数的联动变换计算,并熟悉掌握其变化规律,提高计算准确度与工作效率。采用上述CF51新模型风机系列优化规划的快速设计方法,同样也适用于结构工作图设计,将另文赘述风机行业的《高效节能离心通风机系列化基本模型研发》,根据计划进度要求完成系列样机标定后,向行业推广。届时可参考本文所述的系列优化规划的快速设计方法,实践证明因其简单、实用、有效,相信一定会达到事半功倍的效果。