计算流体力学在硫酸风机设计中的应用_3

1、1 1 1 1 1计算流体力学在硫酸计算流体力学在硫酸风机设计中的应用风机设计中的应用1湖北双剑鼓风机股份有限公司湖北双剑鼓风机股份有限公司 冀春俊冀春俊2013年8月 呼和浩特2 2 2 2 2内容提要内容提要2背景背景鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化扩压器数值分析与优化扩压器数值分析与优化小结小结3 3 3 3 3 3背景背景 节能减排的压力，为硫酸行业的发展提供了良好的节能减排的压力，为硫酸行业的发展提供了良好的机遇和广阔的市场。机遇和广阔的市场。离心式鼓风机是硫酸工艺流程中的心脏设备，其可靠离心式鼓风机是硫

2、酸工艺流程中的心脏设备，其可靠性至关重要。性至关重要。硫酸行业的趋势向着大型化方向发展，鼓风机功率大硫酸行业的趋势向着大型化方向发展，鼓风机功率大且常年运行，是高耗能设备，机组的性能直接决定了运且常年运行，是高耗能设备，机组的性能直接决定了运行成本的水平。行成本的水平。双剑鼓风机股份有限公司开发的单级双吸入高速脱硫双剑鼓风机股份有限公司开发的单级双吸入高速脱硫离心鼓风机已系列化，在市场上得到了大家的大力支持，离心鼓风机已系列化，在市场上得到了大家的大力支持，鼓舞着我们不断技术改革，为市场提供更优产品。鼓舞着我们不断技术改革，为市场提供更优产品。4 4 4 4 4内容提要内容提要4背景背景鼓风机

3、设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化小结小结5 5 5 5 5 5n三元流设计方法的核心：用弯扭叶片替代直弯叶片，三元流设计方法的核心：用弯扭叶片替代直弯叶片，使得气流和叶片几何在整个通道达到良好的匹配，使得气流和叶片几何在整个通道达到良好的匹配，从而最大限度地消除流动损失源，达到气动性能的从而最大限度地消除流动损失源，达到气动性能的最优化。最优化。n三元流设计分初步设计和精细设计两个阶段，初步三元流设计分初步设计和精细设计两个阶段，初步设计阶段以吴仲华三元流理论为基础，结合设

4、计经设计阶段以吴仲华三元流理论为基础，结合设计经验积累的数据库进行气动计算和叶片造型。验积累的数据库进行气动计算和叶片造型。n三元流设计成功的保证是大型的内部流动的计算流三元流设计成功的保证是大型的内部流动的计算流体力学分析，以及根据对计算结果进行分析后的优体力学分析，以及根据对计算结果进行分析后的优化改进设计化改进设计鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学6 6 6 6 6 6专业化的设计软件为初步设计提供了良好的基础专业化的设计软件为初步设计提供了良好的基础n取代繁琐的表格设计计算工作，可采用先进的三元取代繁琐的表格设计计算工作，可采用先进的三元流动设计方法流

5、动设计方法n设计软件出发点基于大量的实验结果数据库，因此设计软件出发点基于大量的实验结果数据库，因此设计结果比较准确，一次成功率较高。设计结果比较准确，一次成功率较高。n参数化设计简单规范，减少了人为因素的干扰。参数化设计简单规范，减少了人为因素的干扰。n设计快捷，方便参数的调试与优化。设计快捷，方便参数的调试与优化。n流道设计与叶片三维造型集成完成，设计结果直观、流道设计与叶片三维造型集成完成，设计结果直观、全面、接口方便，利于后续分析与研究。全面、接口方便，利于后续分析与研究。鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学7设计软件应用举例鼓风机设计方法的改革与计算流

6、体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学8设计结果举例鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学9设计结果举例（续）鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学10精细设计利用设计软件仅仅完成了初步设计，其设计结果尚待利用设计软件仅仅完成了初步设计，其设计结果尚待分析与优化，最后定型分析与优化，最后定型CFDCFD分析可以发现叶轮中存在的流动问题分析可以发现叶轮中存在的流动问题针对流动问题，有些商业化软件中提供自动优化设计针对流动问题，有些商业化软件中提供自动优化设计模块，可以使设计结果达到最佳模块，可以使设计结果达到最佳关键项目应该进行试验验

7、证工作，以最终定型关键项目应该进行试验验证工作，以最终定型鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学111111111111鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学 计算机技术与计算方法的突破使得计算流体力学发计算机技术与计算方法的突破使得计算流体力学发展迅速：展迅速：n三维实体建模软件的应用可以做到几何无失真三维实体建模软件的应用可以做到几何无失真n网格数量和质量均大幅度提高（专业网格生产软件网格数量和质量均大幅度提高（专业网格生产软件的应用、大规模并行运算技术的推广应用）的应用、大规模并行运算技术的推广应用）n计算求解的精度越来越高，可

8、以满足工程设计的需计算求解的精度越来越高，可以满足工程设计的需求，在设计中发挥的作用日益突出。求，在设计中发挥的作用日益突出。12叶轮流动分析举例短叶片吸力面上存在短叶片吸力面上存在严重的失速，漩涡占严重的失速，漩涡占据通道的一半以上，据通道的一半以上，流动损失明显流动损失明显鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学13叶轮流动分析举例（续）优化设计结果优化设计结果使叶轮效率提使叶轮效率提高高1.7%短叶片上的严重分短叶片上的严重分离消除，流动顺畅离消除，流动顺畅无明显损失源无明显损失源鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学14叶轮流动

9、分析（续）鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学利用上述的设计方法对于某二元流鼓风机改造利用上述的设计方法对于某二元流鼓风机改造设计设计仅仅换一个叶轮，其它零部件不变仅仅换一个叶轮，其它零部件不变最终试验结果表明：机组效率提高最终试验结果表明：机组效率提高12%12%目前双剑开发的叶轮效率高达目前双剑开发的叶轮效率高达94%94%，达到了国，达到了国际先进水平。际先进水平。1515151515内容提要内容提要15背景背景鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器

10、数值分析与优化小结小结161616161616排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化n利用利用CFD技术对离心压缩机蜗壳内部流场进行技术对离心压缩机蜗壳内部流场进行研究，在分析计算结果的基础上，寻求降低蜗壳研究，在分析计算结果的基础上，寻求降低蜗壳中流动损失的改进措施，进行几何结构的优化，中流动损失的改进措施，进行几何结构的优化，效果显著。效果显著。n在叶轮设计成功的基础上，对于静子的研究不在叶轮设计成功的基础上，对于静子的研究不容忽视，经验证明静子原件的设计对于整机性容忽视，经验证明静子原件的设计对于整机性能的影响非常大。能的影响非常大。1717171717模型模型1末级计算网格末级计

11、算网格排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化1818181818模型模型1计算计算边界条件边界条件排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化进口：给定速度方向，轴向进气，进口总温进口：给定速度方向，轴向进气，进口总温Tin=377.25K、 进口总压进口总压Pin=410602Pa；出口：给定质量流量出口：给定质量流量Gout=25.83kg/s；固壁：绝热壁，所有转动壁面（对闭式叶轮：固壁：绝热壁，所有转动壁面（对闭式叶轮：轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转速速n=4761rpm，其它壁面转速为，其它壁面转速为01919191919模

12、型模型1计算计算结果及分析结果及分析图图3 模型模型1扩压器中心截面相对速度分布扩压器中心截面相对速度分布排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2020202020图图4 模型模型1扩压器中心截面静压、总压分布扩压器中心截面静压、总压分布模型模型1计算计算结果及分析（续）结果及分析（续）排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2121212121模型模型2末级计算网格末级计算网格排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2222222222模型模型2计算计算边界条件边界条件排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化进口：给定速度方向，轴向进气，进口总温进口：给定速度方向，轴向进气

13、，进口总温Tin=312K、 Pin=461765Pa；出口：给定质量流量出口：给定质量流量Gout=79.62kg/s；固壁：绝热壁，所有转动壁面（对闭式叶轮：固壁：绝热壁，所有转动壁面（对闭式叶轮：轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转速速n=5157rpm，其它壁面转速为，其它壁面转速为02323232323图图6 模型模型2扩压器中心截面相对速度、总压分布扩压器中心截面相对速度、总压分布模型模型2计算计算结果及分析结果及分析排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2424242424图图7 模型模型2中蜗舌（中蜗舌（）、出风筒）、出风筒

14、（）的涡流的涡流模型模型2计算计算结果及分析（续）结果及分析（续）排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2525252525排气蜗壳末级数值分析结论排气蜗壳末级数值分析结论排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化通过对模型通过对模型1、2末级的数值模拟，获得了末级流动的详细数据，末级的数值模拟，获得了末级流动的详细数据，全面掌握了等宽变高式排气蜗壳的内部流动规律：全面掌握了等宽变高式排气蜗壳的内部流动规律：（1）蜗舌截面设计不合理，导致小蜗壳内大范围的低速流动；）蜗舌截面设计不合理，导致小蜗壳内大范围的低速流动；（2）蜗舌设计很粗糙，导致蜗舌前、后存在复杂的旋涡流动）蜗舌设计很粗糙，

15、导致蜗舌前、后存在复杂的旋涡流动; ;（3）出风筒与蜗壳连接处、出风筒出口附近都存在很大的转折，）出风筒与蜗壳连接处、出风筒出口附近都存在很大的转折，导致主流被压迫，旋涡堵塞大部分管道导致主流被压迫，旋涡堵塞大部分管道; ;（4）蜗壳周向的不均匀性严重影响了扩压器甚至叶轮的工作；）蜗壳周向的不均匀性严重影响了扩压器甚至叶轮的工作；所揭示的排气蜗壳内部流动规律，为这类蜗壳的优化设计指出所揭示的排气蜗壳内部流动规律，为这类蜗壳的优化设计指出了方向。了方向。2626262626优化设计基本思想优化设计基本思想蜗壳截面蜗壳截面设计设计出风筒出风筒设计设计排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化27

16、27272727最终优化方案几何模型最终优化方案几何模型排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2828282828优化前后计算结果对比及分析优化前后计算结果对比及分析表表 优化前后设计点结果对比优化前后设计点结果对比多变效率多变效率 等熵效率等熵效率 静压比静压比 总压比总压比 原方案原方案 0.7998 0.7926 1.3024 1.2867 方案七方案七0.84460.83851.32051.3086共尝试设计了七个优化方案。所获得的最终共尝试设计了七个优化方案。所获得的最终方案末级效率较原设计提高约方案末级效率较原设计提高约4.5%4.5%，且兼顾加工，且兼顾加工工艺的可行性，优

17、化设计效果显著。工艺的可行性，优化设计效果显著。排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化2929292929最终优化方案计算结果分析最终优化方案计算结果分析图图13 方案七扩压器中心截面、蜗舌前缘、出风筒内方案七扩压器中心截面、蜗舌前缘、出风筒内相对速度分布相对速度分布排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化3030303030图图15 方案七扩压器中心截面静压、总压分布方案七扩压器中心截面静压、总压分布最终优化方案计算结果分析（续）最终优化方案计算结果分析（续）排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化3131313131多变效率多变效率 等熵效率等熵效率 静压比静压比 总压比总压

18、比 原方案原方案 0.8257 0.8174 1.4163 1.3863 优化方案优化方案0.87040.86381.45501.4190表表 模型模型2优化前后设计点优化前后设计点结果对比结果对比优化后末级效率提高幅度与模型优化后末级效率提高幅度与模型1基本一致，基本一致，约约4.5%，充分说明了优化方案的有效性。，充分说明了优化方案的有效性。模型模型2的的优化设计优化设计排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化32蜗壳优化设计小结蜗壳优化设计小结排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化实现了排气蜗壳内部流动合理、流动损失降到最低限度的目标；实现了排气蜗壳内部流动合理、流动损失降到最

19、低限度的目标；压缩机段末级效率普遍较原技术提高压缩机段末级效率普遍较原技术提高3-4.5%（整机效率估计可（整机效率估计可以提高以提高1-2%），优化设计出的排气蜗壳性能可以达到甚至超过），优化设计出的排气蜗壳性能可以达到甚至超过国际先进水平。国际先进水平。由于离心压缩机机组功率非常大，提高机组效率意味着大大减少由于离心压缩机机组功率非常大，提高机组效率意味着大大减少机组的耗能，为此将为用户带来极为可观的经济效益和社会效益机组的耗能，为此将为用户带来极为可观的经济效益和社会效益。3333333333内容提要内容提要33背景背景鼓风机设计方法的改革与计算流体力学鼓风机设计方法的改革与计算流体力学

20、排气蜗壳数值分析与优化排气蜗壳数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化小结小结34扩压器形式：扩压器形式：u无叶扩压器：常用无叶扩压器：常用u叶片扩压器：较少使用叶片扩压器：较少使用无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化扩压器是离心式鼓风机的重要气动元件，其设扩压器是离心式鼓风机的重要气动元件，其设计对于机组性能同样有着重要的影响，因此有计对于机组性能同样有着重要的影响，因此有必要对其进行与蜗壳设计同样的流动计算分析必要对其进行与蜗壳设计同样的流动计算分析和优化设计工作。和优化设计工作。353535353535无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化36

21、3636363636无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化b3=b4=b2b3=b4b2盖盘侧收缩b3=b4b2盖盘侧扩张373737373737无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化对于常用的等宽度无叶扩压器（对于常用的等宽度无叶扩压器（b3=b4b3=b4），影响其性能的参数），影响其性能的参数主要是主要是b3/b2b3/b2、R3/R2R3/R2、R4/R2R4/R2。以某离心压缩机第一级的几个扩压器设计方案为例，运用以某离心压缩机第一级的几个扩压器设计方案为例，运用CFDCFD技术对其叶轮入口到扩压器出口的内部流场进行分析，选定合理技术对其叶轮入口到扩压器出口的内部

22、流场进行分析，选定合理的扩压器形状。的扩压器形状。383838383838无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化扩压器设计方案叶轮几何参数：叶轮几何参数：出口半径出口半径R2=133mm出口宽度出口宽度b2=12mm给定扩压器径向尺寸：给定扩压器径向尺寸：R3/R2=1.03R4/R2=1.4扩压器进口宽度扩压器进口宽度b3变化的几个变化的几个设计方案如右表设计方案如右表393939393939无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化CFD计算结果404040404040无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化b3/b2=100%b3/b2=110%b3/b2=90%b3/b2=90%多变效率多变效率 87.351% 86.258% 87.904% 88.160%414141414141无叶扩压器数值分析与优化无叶扩压器数值分析与优化CFD计算结果分析扩压器进口宽度不收缩甚至扩张（扩压器进口宽度不收缩甚至扩张（b3b3b2b2）时，在扩压器内盖）时，在扩压器内盖盘侧会产