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DF8CJ离心风机的设计改型

发布时间:2012-12-11 14:42    来源:未知

1.引言
    DF8CJ离心风机为机车电机散热用贯流风机。因效率较低,。需要对其进行改型,以增加效率,减少损失。
    叶轮机械中流动损失主要来源于分离,分离则会产生旋涡,因此,旋涡是导致损失的主要因素。减小旋涡是改型设计的首要任务。
    使用Fluent软件对风机进行数值模拟,可以得到风机内部较为准确的气流流动情况,并根据气流分离情况进行有针对性地改进。虽然在计算时,无法对软件内部的控制方程作出调整,且整个计算域内只能采用一种湍流模型,不能根据实际情况灵活调整。但其计算结果的准确性仍可接受,设计时也可作为参考。
2,数值模拟及改型
DF8CJ离心风机设计流量为4.5m3/S,设计运行温度40℃,风压大于5500Pa。设计参数如下:
 风机轴流风机
2.1数值模拟,
2.1.1计算参数及网格
    原型风机中空气流速较高,超过0.3倍马赫数,因此采用可压缩进行计算。湍流模型选用标准k一£模型。计算时首先用.阶迎风格式迭代至所有残差降低至1e-3,然后换为二阶迎风格式迭代至残差值稳定,且出口面平均压力在很小的范围内有规律地振荡为止。
    叶轮区域的计算网格采用楔形网格,数量为33万,占总体网格数的50%左右。入口及涡壳区域由于形状比较复杂,采用适应性很强的四面体体格。同时在靠近叶轮区域的部分和涡舌部分加密。
风机轴流风机
2.1.2实验验证
    为验证数值模拟的准确性,将原型机三个流量点的计算结果与台架实验结果进行对比,结果见下表。
 风机轴流风机
    从表中可以看出,计算结果与台架实验的结果的误差小于5%,计算结果基本可信,可以以此为基础进行改型。
2.2改型
2.2.1入口部分
    离心风机的特点是轴向进气,气流在进气部分经过90。折转变为径向流动,进入叶轮。这种折转方式有先天不足。气流的折转需要靠法向压力梯度来实现,如果法向压力梯度不足,气流就将分离。所以为了避免分离,折转率不能太大。尤其是在气流折转后期,因其压力梯度已耗尽。当气流发生扩胀时,较收敛更容易分离。
    原型机入口处的流动为扩胀流动,且由轴向向径向的折转发生在90。的直角尖点,气流产生剧烈分离,形成很强的旋涡。在叶轮区域入口处沿圆周取四条直线(图2),可以看到沿叶高方向,气流的径向速度变化很大,且在进气端出现负径向速度(图3.a)。叶片部分区域非但没有做工,还增加了损失。
    改型减小了风机入口的直径,修改了入口型线,减小了气流的折转角。
    改型后,气流分离所产生的旋涡减小。叶高方向气流的径向速度相对于原型机更加均匀,没有出现负径向速度的区域,所有的叶片区域都做功(图3.b)。
    叶片靠近后板部分,气流的径向速度相对于叶片中部有所减小,原因在于改型启、,叶片进气端气流的径向速度增人,使得叶片后部流量减小,导致径向速度减小。
风机轴流风机风机轴流风机
2.2.2轮毂
 
    原型机轮毂型线的曲率半径过小,尽管其是绕锐角折转,但也造成气流分离,产生很大的旋涡。轮毂边缘还有一个台肩,又造成第二次分离(图4.a)。
    改型加大了轮毂的折转型线圆弧,取掉后台架。同时,在轮毂顶端平头锁紧螺帽上加上一个流线型帽罩。改型后轮毂两侧的旋涡消失(图4.b)。
风机轴流风机风机轴流风机
2.2.3冲角
    叶片进气端气流流动速度不均匀。由于存在强烈的旋涡,进气速度很低。造成相对叶片进气角偏低,而靠近后板处气流速度较高,相对叶片进气角较太。根据叶栅实验,冲角一股以2°、-3。为宜。既能形成一定的升力,又不致于过大的分离,造成过高的损失。当气流流量减小时,正冲角加大,使叶背发生分离。严重时则发生失速,不能正常工作。当进气速度增加时,造成负冲角,使叶盆分离。当流量过大时,则负冲角过大,风机阻塞,同样也不能正常工作。所以合适的冲角是保证风机正常、高效工作的根本。
    原型机入口旋涡很强,四条直线上沿叶高方向气流的冲角全部为较大的正冲角,尤其是进气端(图5.a)。
风机轴流风机
    改型调整了叶片的安装角,减小了气流的止冲角。计算结果显示,相对于原型机,气流的冲角减小(图5.b)。但在靠近涡舌部分(直线3),叶片后部气流的冲角反而增大,这是涡舌影响所致。
风机轴流风机
3.改型效果
    风机改型后,最高效率提高了5.95%左右,工作点的静乐比提高了0.0065。
4.结论
    1.原型风机入口处,气流扩胀流动,折转角过大,产生强烈分离。设计时应遵循流线型设计原则,避免出现过大的折转角。
    2.原型风机的轮毂曲率过大,气流产生分离。轮毂的型线应与气流的流线相近,避免由于曲率不当而产生旋涡。
    3.气流的冲角最好在2~3度之间,过大或过小的冲角都会对效率造成影响。
    4.风机改型后,最高效率提高了5.95%左右,工作点的静压比提高了0.0065。
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