对旋式轴流风机变转速匹配性能研究

I J 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma nu f a c t u r e 第 3期 2 0 1 2年 3月 文章编号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 0 3 一 O l 1 6 一 u 3 对旋式轴流风机 变转速 匹配性能研 究 术 刘红蕊 耿 少娟 方杭安 聂超群 中国科学院 工程热物理研究所 先进能源动力重点实验室 北京 1 0 0 1 9 0 天津市通风机厂 天津 3 0 0 1 5 1 Nu mer i c a l s t u d y o n ma t c h i n g p e r f o r ma n c e o f c O n t r a r O t a t i n g a x i a I f l o w f a n u n d e r v a r i a b l e s p e e d I I U H o n g r u i G E N G S h a o j u a n F A N G H a n g a n 2 N I E C h a o q u n I n s t i t u t e o f En g i n e e r i n g T h e r mo p h y s i c s C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s Ke y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d E n e r g y a n d P o w e r B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 C h i n a Z Y i a n j i n V e n t i l a t o r Ma n u f a c t o ry T i a n j i n 3 0 0 1 5 1 C h i n a 十 t 一 十d 十 十 I 斤 十 十d竹十 川州 十 十 十 十 十遭 十 q 十十 卜 摘要 采用全圆周数值模拟方法 研究了双级对旋式轴流风机的变转速匹配特性 在四种转速 2 匹配方案下 对比分析了风机整机和各级转子的压升 效率和功率特性 进一步深入流场内部 揭示了 不同转速匹配下的内部流动特征 并与单通道模拟结果做了对比 对单级转子特性而言 单通道模型 i 和全圆模型间最大的区别在第二级转子 就全压升和效率来说 单通道模拟结果高于全圆周模拟结果 i不同转速匹配下的结果均显示 第二级转子性能改变对转速变化更为敏感 除各级转子的良好设计 进 口集流器和出口扩散器对提 高对旋风机性能也很重要 j 关键词 对旋式轴流风机 变转速匹配 特性曲线 流场分析 i Ab s t r a c t T h e m a t c h i n g p e rf o r ma n c e o f n t w o s t a g e c o n t r a r o t a t i n g a x i a l flo w f a n u n d e r v a r i a b l e 2 s p e e d i s i n v e s t i g ate d t h r o u g h ml l a n n u l u s n u m e r i c al s i mu l at i o n Wi t h f o u r m at c h i n g s c h e m e s of s p e e d t h e c h a r a c t e r i s t ic s oft o t al p r e s s u r e r is e ef fi c i e n c y a n d p o w e r ofth e w h o l e m ach i n e a n d s in g l e s t age ar e a n a 一2 l y z e d a n d c o m p ar e d f u r t h e r m o r e t h e a t u r e s ofi n n e r fl o w fi e l d a r e e l u c id at e d w h ic h r e s u l t s ar e c o m p ar e d w i t h t h ase o f s i n g l e p a s s age s i m u l a t i o n m o d e 1 F o r t h e s i n g l e s t a g e r o to r th e m o s t d if f e r e n c e b e t w e e n s i n g l e j p as s ag e a n d f u l l a n n u l u s s im M f n m o d e l s t h e c h a r a c t e r t i c o f t h e s e c n d s ta g e r o to r A s f o r e t o t al p r e s s u r e r i s e a n d e f fic i e n c y e r e s u h s o f s i n g l e p ass a g e mo d e l are o b v i o u s l y h i g h e r t h a n t h o s e o f l e f f l a n n u l u s m o d e 1 A l l t h e r e s u h s u n d e r d if f e r e n t s p e e d m a t c h i n g s c h e m e s h o w e t h at t h e s e c o n d s t age r o t o r i s 2 m o r e s e E x c e p t f o r t h e w e l l d e s i g n o f s t a g e r o t o r th e i n b e ll m M t h an d M t l e f d if f u s e r a r e al s im p o r t a n t f o r th e p e rf o r m a n c e i m p r o v e m e n t of c o n t r a r o ta t i n g ax i al fl w f a n K e y w o r d s C o n t r a r o t a t i n g a x i a l fl o w f a n V a r i a b l e s p e e d ma t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s F l o w fi e l d i i i N i j i 小 t 螂 j 0 1 t 川 中图分类号 T HI 6 T H1 2 2 文献标识码 A 1 己f 言 转速下计算模型选取对风机性能预测结果的影响 接着X t t 分析 相比传统轴流风机 对旋式轴流风机具有结构紧凑 流量 了不同转速匹配时整机和各级转子的压升 效率和功率特性 以 大 高风乐 高效率以及良好的反风性能等特点 使用中 还可根 及转子内部流场压力及速度分布 揭示了不同转速匹配时对旋式 据T作条件变化 通过改变两级转速比调节风量和压头 实现变 轴流风机的工作特性和内部流动规律 丁 况 调 节 达 到 高 效 节 能 目 的 凶 此 在 煤 矿 隧 道 通 风 等 领 域 获 2研究对象和计算方法 得广泛应用 风机的设计参数和几何参数可参见文献 一方面为校核通 近年来 国内外针对对旋式轴流风机开展 了大量的研究1 二 道模型选取对计算结果的影响 另一方面为衡量进 口集流器和出 作 ll 6 1 为高效对旋式轴流风机的设计提供了技术参考 相对而 口扩散器对风机性能的影响 采用全圆周模型 对包含集流器和 言 对对旋式轴流风机变转速匹配特性的研究较少 调研发现 扩散器的整机进行了数值模拟 动静域和转子问采用 g r i d 一 同时从整机和各级转子的工作特性以及内部流场角度来分析对 i n t e r f a c e 方法直接插值传递数据 对研究采用的全圆周计算模 旋风机的变转速匹配特性的文献较为缺乏 因此 在独立设计的 型 数值计算域及网格划分 如图 1 所示 考虑两转子叶顶间隙的 变环量优化流型设计方案基础上 对包含进口集流器 两级转子 影响 间隙大小设置为 2 mm 间隙内径向网格数为 6 整个计算域 和出 扩散器的整机进行 r 三维 C F D数值模拟 先讨论了设计 总网格数约为 4 1 7万 其中集流器 一级转子 二级转子和扩散器 来稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 4 基金项 日 国家 自然科学基金项 目 5 0 9 0 6 0 8 0 中国科学院支持天津滨海新区建设科技行动计划项 目 T J Z X 2 一 Y w B 第 3期 刘红蕊等 对旋式轴流风机 变转速 匹配性能研究 1 1 7 区域网格总数分别约为 5 8 1 4 9 1 4 1 和 6 9 万 图 l网格模型 数值模拟基于商用 C F D软件 F I U E N T 采用 S I M P L E方法 求解三维定常可压缩雷诺平均N S 方程 两阶精度差分格式 工 质为理想气体 湍流模型选取标准 k s两方程模型 壁面采用无 滑移边界条件 近壁区域采用标准壁面函数处理 集流器进口给 定压力边界条件 通过调节扩散器出口背压改变流量 3结果分析 前后两级转速匹配按以下四种方式进行 n 分别为第一 级和第二级电动机转速 1 r t 1 n 2 9 8 0 r mi n 记为 9 8 0 9 8 0 2 n l 9 8 0 r m i n n 2 1 4 8 0 r mi n 记为 9 8 0 1 4 8 0 3 n l 1 4 8 0 r m i n n 2 9 8 0 r mi n 记为 1 4 8 0 9 8 0 4 n 1 n 2 1 4 8 0 r m i n 记为 1 4 8 0 1 4 8 0 3 1计算模型校核 首先在设计转速下与文献 对比研究了单通道和全圆周模 型所得各级转子特性 二级转子全压升和效率曲线的对比结 果 如图 2 所示 3 0 0 0 2 5 o o 2 0 0 0 1 5 0 0 l o O 0 5 0o i 耋 墨 一 舟 一单通道一级转子 o 整机一级转于 1 单通道二级转子 整机二级转子 1 嘲 3 9 42 45 流量 m3 s 图 2整机与单通道单级特性曲线对比 整体来看 两种计算模型下 风机流量范围相当 两级转子 特性变化规律相同 对第一级转予 两种计算模型所得压升和效 率特 I生 吻合良好 但对第二级转子 无论全压升还是效率 相同流 量时单通道模型结果均明显高于全圆周模型 与第一级转子结果 对比来看 产生上述差异的主要原因在于两种模型中级间数据传 递方式不同 采用单通道计算模型时 混合平面方法将第一级转 子出口流场数据先进行周向平均 而后赋值给第二级转子进口 冈此消除了由转子尾迹和附而层效应带来的周向不均匀性 这与 实际的对旋风机内部流动偏离较大 计算准确度相比全圆周模型 较低 同时 该结果也说明第二级转子特性改变对进 口流场情况 较为敏感 3 2全流量工况性能 包括集流器 一 二级转子和扩散器的整机 如图 3 所示 以 及仅包含一 二级转子的整转子在四种转速匹配下的全压升和效 率曲线 各单级转子的压升 效率特性 如图4 图5所示 图3显示 在各匹配方案下 整转子的压升和效率均高于整 机 且随流量增大两者问差异呈增大趋势 从流量范围来看 对第 二级转速均为 9 8 0 r ra i n的两种转速 配方式 其流量范围相当 对第二级转速均为 1 4 8 0 r m i n的两种转速匹配方式 其流量范围 明显高于第二级转速为 9 8 0 r mi n的两种转速匹配方式 其中 1 4 8 0 1 4 8 0 转速匹配方式稍大于 9 8 0 1 4 8 0转速匹配方式 从整 机最高效率点来看 由 1 4 8 0 9 8 0 9 8 0 9 8 0 9 8 0 1 4 8 0至 1 4 8 0 1 4 8 0 最高效率点依次增大 流量 m3 s 图 3整机及整转子全流量特性 曲线 图 4中 由于一 二级转子互为导叶作用 9 8 0 9 8 0和9 8 0 1 4 8 0转速匹配情况下 一级叶轮特性可形成一条连续的压升曲 线 且部分流量范围重叠 当第二级叶轮转速提高时整个风机流 量范围增大 1 4 8 0 9 8 0和 1 4 8 0 1 4 8 0转速匹配时 一级叶轮特性 变化规律相 同 9 8 0 9 8 0和 1 4 8 0 9 8 0以及 9 8 0 1 4 8 0和 1 4 8 0 1 4 8 0转速匹配方式 当第二级叶轮转速不变而改变第一级叶轮 转速时 第二级叶轮压升特性发生接近平移的变化规律 相对 9 8 0 r mi n 当第二级叶轮转速为 1 4 8 0 r m i n时 由于第一级叶轮转 速改变导致的二级叶轮压升和流量范嗣绝对改变量越大 对图 3 所示的整机最高效率点 与图5相对应 如图6所示 示意性地给出了各转速匹配时一 二级转子进口的速度三角形 对第一级转子 按最高效率值由大到小的顺序 各转速匹配方式 依次为 1 4 8 0 1 4 8 0 9 8 0 9 8 0 9 8 0 1 4 8 0和 1 4 8 0 9 8 0 对二级转 子 按最高效率值南大N l 的顺序 各转速匹配方式依次为 9 8 0 1 4 8 0 1 4 8 0 1 4 8 0 9 8 0 9 8 0和 1 4 8 0 9 8 0 气流角与气流速度的综 舛 砸 一 一 瓣袋 辩 1 1 8 机 械 设 计 与 制 造 No 3 Ma r 2 01 2 合决定了效率的大小 第二级叶轮陛能对上游叶片出口流场的依 赖性较大 对决定整个风机性能有着更加重要的作用 各转速匹配下各级转子的功率特性曲线变化与压升曲线具 有相似的变化规律 在设计工况 两级叶轮功率均为 1 2 6 k W 实 现了两级等负载分配 3 3 内部流场特征 以 1 4 8 0 9 8 0和 1 4 8 0 1 4 8 0整机最高效率为最低和最高两 种匹配方式为例分析转子内部流场特征 代表性地选取各级叶中 截面给出了相对总压云图和相对速度矢量