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风机设计中的应用,1,湖北双剑鼓风机股份有限公司 冀春俊,2013年8月 呼和浩特,2,2,2,2,2,内容提要,2,2,1,3,4,5,背景,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,扩压器数值分析与优化,小结,3,3,3,3,3,3,背景,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。,离心式鼓风机是硫酸工艺流程中的心脏设备，其可靠性至关重要。,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。,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，

2、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。,4,4,4,4,4,内容提要,4,2,1,3,4,5,背景,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,无叶扩压器数值分析与优化,小结,5,5,5,5,5,5,三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，从而最大限度地消除流动损失源，达到气动性能的最优化。,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，结合设计经验积累的数据库进行气动计算和叶片造型。,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

3、行分析后的优化改进设计,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,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,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。,参数化设计简单规范，减少了人为因素的干扰。,设计快捷，方便参数的调试与优化。,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。,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,9,设计结果举例（续）,

4、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，其设计结果尚待分析与优化，最后定型,CFD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模块，可以使设计结果达到最佳,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,11,11,11,11,11,11,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展迅速：,三维实体建模软件的应用可以做到几何无失真,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）,计算求解的精度越来越高，可以满足工

5、程设计的需求，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严重的失速，漩涡占据通道的一半以上，流动损失明显,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）,优化设计结果使叶轮效率提高1.7%,短叶片上的严重分离消除，流动顺畅无明显损失源,鼓风机设计方法的改革与计算流体力学,14,叶轮流动分析（续）,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设计,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12%,目前双剑开发的叶轮效率高达94%，达到了国际先进水平。,15,15,15,15,15,内容提要,15,

6、2,1,3,4,5,背景,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,无叶扩压器数值分析与优化,小结,16,16,16,16,16,16,排气蜗壳数值分析与优化,利用CFD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，寻求降低蜗壳中流动损失的改进措施，进行几何结构的优化，效果显著。,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能的影响非常大。,17,17,17,17,17,模型1末级计算网格,排气蜗壳数值分析与优化,18,18,18,18,18,模型1计算边界条件,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

7、Tin=377.25K、 进口总压Pin=410602Pa；,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：轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转速n=4761rpm，其它壁面转速为0,19,19,19,19,19,模型1计算结果及分析,图3 模型1扩压器中心截面相对速度分布,排气蜗壳数值分析与优化,20,20,20,20,20,图4 模型1扩压器中心截面静压、总压分布,模型1计算结果及分析（续）,排气蜗壳数值分析与优化,21,21,21,21,21,模型2末级计算网格,排气蜗壳数值分析与优化,22,22,22,22,22,模型2计算边界条件,排

8、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Tin=312K、 Pin=461765Pa；,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：轮盘侧、轮盖侧固体表面，叶片各表面）输入转速n=5157rpm，其它壁面转速为0,23,23,23,23,23,图6 模型2扩压器中心截面相对速度、总压分布,模型2计算结果及分析,排气蜗壳数值分析与优化,24,24,24,24,24,图7 模型2中蜗舌（）、出风筒（）的涡流,模型2计算结果及分析（续）,排气蜗壳数值分析与优化,25,25,25,25,25,排气蜗壳末级数值分析结论,排气蜗壳数值分析与

9、优化,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，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；,（2）蜗舌设计很粗糙，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，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；,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。,26,26,26,26,26,优化设计基本思想,首先以一维气动设计方法为基础，给出改进后的蜗壳型线，然后利用CFD分析软件NUMECA对蜗壳内部流动进行模拟

10、，再根据流动状况修正蜗壳型线，不断反复，直至得到满意的结果。,蜗壳截面 设计,出风筒 设计,排气蜗壳数值分析与优化,27,27,27,27,27,最终优化方案几何模型,排气蜗壳数值分析与优化,28,28,28,28,28,优化前后计算结果对比及分析,表 优化前后设计点结果对比,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4.5%，且兼顾加工工艺的可行性，优化设计效果显著。,排气蜗壳数值分析与优化,29,29,29,29,29,最终优化方案计算结果分析,图13 方案七扩压器中心截面、蜗舌前缘、出风筒内相对速度分布,排气蜗壳数值分析与优化,30,30,30,30,30,图15

11、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）,排气蜗壳数值分析与优化,31,31,31,31,31,表 模型2优化前后设计点结果对比,优化后末级效率提高幅度与模型1基本一致，约4.5%，充分说明了优化方案的有效性。,模型2的优化设计,排气蜗壳数值分析与优化,32,蜗壳优化设计小结,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；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机组的耗能，为此将为用户带

12、来极为可观的经济效益和社会效益。,33,33,33,33,33,内容提要,33,2,1,3,4,5,背景,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,无叶扩压器数值分析与优化,小结,34,扩压器形式：,无叶扩压器：常用 叶片扩压器：较少使用,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和优化设计工作。,35,35,35,35,35,35,无叶扩压器数值分析与优化,36,36,36,36,36,36,无叶扩压器数值分析与优化,b3=b4=b2,b3=b4b2 盖盘侧收缩,b3=b

13、4b2 两侧均收缩,b3=b4b2 盖盘侧扩张,37,37,37,37,37,37,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（b3=b4），影响其性能的参数主要是b3/b2、R3/R2、R4/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CFD技术对其叶轮入口到扩压器出口的内部流场进行分析，选定合理的扩压器形状。,38,38,38,38,38,38,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： 出口半径R2=133mm 出口宽度b2=12mm,给定扩压器径向尺寸： R3/R2=1.03 R4/R2=1.4,扩压器进口宽度b3变化的几个设计方案如右表,39,3

14、9,39,39,39,39,无叶扩压器数值分析与优化,CFD计算结果,40,40,40,40,40,40,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 87.351% 86.258% 87.904% 88.160%,41,41,41,41,41,41,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（b3b2）时，在扩压器内盖盘侧会产生漩涡，使能量耗散严重。说明在叶轮出口处逆压梯度过大，这种扩压器形状不宜采用。,扩压器进口宽度在盖盘侧收缩（b3b2）时，扩压器内部流体流动趋于合理。这种扩压器形状可以采用。,扩压器进口宽度在轮盘和盖盘侧均收缩（b3b2）时，扩压器内部流体流动合理，整体性能较高。这种扩压器形状为最佳方案。,42,42,42,42,42,42,小结,采用三元流设计方法建立的设计平台