轴流风机支架旋转角度对风机流场的影响

轴流风机支架旋转角度对风机流场的影响摘要：由于地铁用轴流风机有正反转和变频控制风量的要求，而反转运行时,风机支架与脱离扇叶的气流存在一定的不平行度，会降低反转运行时的风机效率。为此提出一种改进措施，把支架偏转一定角度，以提高反转运行时的风机效率。本文运用CFD方法对该风机进行了模拟，得出了偏转角度与风机的正反转运行效率的关系。实际工程可根据正反转运行的时间比例和风量要求来确定最佳的支架偏转角度，以便获得最好的节能效果。关键字：地铁轴流风机支架CFD正反转0.引言：轴流风机是地铁车站和隧道区间内通风的主要设备，如何改善轴流风机的性能，研制节能高效的地铁专用风机倍受人们的关注。地铁轴流风机的设计很大程度上要依赖试验，设计成本相对较高。如果用数值模拟的方法对地铁轴流风机的流场进行模拟，可以代替部分实验，预测风机性能，降低设计成本。本文利用FLUENT软件，针对地铁专用轴流风机支架偏转角度对风机性能的影响进行了模拟，得出了正反转工况下风机支架偏转不同角度时，风机的风量、风压和效率之间的关系。1.主要步骤：CFD解决问题的步骤主要分为以下三步：1）在前处理软件中建模；2）确定计算域和边界条件，导入计算软件，完成计算；3）在计算软件中进行后处理或导入后处理软件进行后处理，查看结果。本文选取天津通风机厂生产的TVF轴流风机作为研究对象。该型号的风机是一种地铁专用可逆转轴流风机，叶轮直径1.8米，12片叶片，5个支架，标准转速985rpm。叶轮，几何模型的建立是在FLUENT的前处理软件GAMBIT中进行的。计算模拟部分采用的是FLUENT6.0计算商用软件。实体建模区域确定为：风机支架后气流入口到风帽前端气流出口之间气流流经的风道内侧。为了把模型与现实中的风机的差别降到最小，在建模过程中完全采用三维方法，并且从图纸出发，注重风机和风道结构的每一个细节，没有做任何简化，甚至在叶轮端风道的2mm突起也没有简化。这些都保证了以后数值计算结果的可靠性。实际生成的网格共约25万网格，经GAMBIT检验，生成网格的倾斜度大多介于0.2到0.4之间，基本符合计算要求。生成的风机模型和表面网格分布如图1所示。在完成风机的通常性能的模拟之后，改变支架旋转角度并对风机流场进行模拟计算，绘制出模拟图，从而预测出支架角度对风机性能的影响。2.支架对轴流风机流场及效率的影响：由于支架尺寸远大于相邻的风机叶片，导致流场中存在很大的周向非均匀性，从而会对风扇的振动、噪声和气动性能带来较大的影响。。在之前对风机性能的模拟中可以看出当风机正转时，气流在入口侧沿着轴向流过风机支架，由于气流方向与支架形状保持平行，使得气流对支架的冲击很小。当风机反转时，支架处于风机的出口侧。气流流过叶片时，气流方向会发生偏转，风量越小，偏转的角度越大。这时，气流方向与支架形状会形成一个交角，造成气流对支架的冲击。这个冲击作用会使得风机反转时的效率有所下降。在上面的计算中，风机正反转的效率要相差大约为4％。图2所示为在风机反转时的流场情况，很明显可以看出由于气流脱离扇叶的方向与支架方向并不平行，因此在支架背侧有明显涡流区。虽然当风机正转时这个涡流区不明显，但也是存在的，支架离扇叶越近这个阻碍就越明显。因此支架的角度是风机振动、噪声的重要来源。图1风机模型及表面网格分布图图2未偏转支架反转时的流场因此，如果在风机反转工况时，支架自身也旋转一个角度，如图3所示，使得支架和气流的交角减小，应该会减少对支架的冲击，从而提高风机效率。当风机支架偏转一个角度后，如图4和图5所示，支架与风机内流场的平行度交好，可以尽量减小支架对流场的影响。图3支架旋转示意图衫图工4于，偏转支怎架后正转伍时的流流场逢尸糊图免5塘，偏转支流架后反转箭时的流场示针对这个胡假设，将塑支架旋转温了化4县个角度，扛并对应于勤每个角度饶分别建模刃计算，以抄得出在不特同风量下宾支架旋转捉角度对气唉流场作用以的规律。卷在如FLUE悼N业T扩中有一种张专门用于脏计算流体抖机械的模寻型奏—供—宗Turb坡o妖模型，可宏以方便的网对流体机辜械流场的换全压，效靠率，轴功凤率等参数血进行计算肤。为了充异分利用这硬种模型，旅同时简化缸计算，我睁们需要对犬原有风机稍模型进行话必要的改钟造。原有背风机域有吗5耳片支撑用谁支架，在榴现在的模争型中增加抗为冈6格片，这四样园1夏2亦片风机叶幼片百和克6秧片支撑就染形成汉了健2:口1帜的对应关歼系。在这逆种情况下碌，我们可袍以通过引帐入周期性奇边界条件枪（贡Peri纱odi封c支）来简化屋模型，只洗对风机流咸场济的谨1/据6筹进行模拟收，大大减颜少了网格宝数，提高炎了计算效摔率。肉在计算中递，设计受了饭5捉个模型分遮别计算，茶每个模型柏对应的支资架旋转角胸度分别是少：初始模炉型浪A亮（支架未穷旋转），浆模固型凝B震（支架旋锁转郑5旬度），模凤型矮C毁（支架旋多转尿1沉0腰度），模丸型发D势（支架旋轨转什1剥6杯度），模层型红E涂（支架旋伙转隙2跳0盲度）。针虎对每一个嫁模型，我库在正反转圾工况下各兴选取夸了树7号个点（每赴个点对应定与一个风妥量，分别恶为禽40m霜3掉/蚁s花，匆45m层3林/仁s澡，蜜50m堆3落/野s姓，甩55m挠3肃/和s平，壁60m壤3手/素s购，卷65m剂3栗/报s勾，句60m彻3舒/惩s的），共绿计享1羞4轧个点进行洗模拟。风嗽机转速选幕定店为鱼985r哑p畜m叛，采用的格网格种类盒和其他相掏关参数的页设定与先恢前进行的捷计算相同代。他3.过室模拟结果映3.1劫尿支架未旋云转工备况增(傻初始模疏型振A本)坡：驶支架未旋委转工况下峡反转效率忧比和正转痕效率相差贪较大，主朱要是由于仍建模时多诸引入一个属支架的原陪因，与风扶机自身无仆关。没3.2涉蒙支架旋预转蓬5丰度券(俘模造型蚊B知)溉：致支架旋晒转贺5夫度的情况软下，风机凯正转时，透由于支架纪旋转了一满个角度，差气流方向棒不再与支垄架保持平亲行，造成个了气流对列支架的冲聋击，从而遍使得风机幅正转工况夜下的效率乒较模蠢型钻A悠有所下降线。风机反满转时，支盘架的旋转沸使得气流避方向与支学架的交角取变小，减勺少了支架丸对气流的啄阻碍作用胸，风机效挤率因此有击所提高。掌3.3棒产支架旋匙转畜1陕0某度瞎(迁模冷型得C预)阁：并与支架旋宁转清5晃度的模型部类似，在路正转工况档下风机的职效率损失淹随着风量控的提高而闻增加。但陵由于支架虽旋转角度昨的加大，及支架对气动流的阻碍暖作用更加跳明显，效侄率损失增凶加的幅度物也要更大运一些。在练反转工况贱下，克除咏70m必3玻/鼻s栗的风量外鹅，各个风丑量下效率辛都有了一堂定程度的井提高。渔3.4盒晴支架旋适转现1学6伐度恳(毅模扰型完D由)截：枯从下面整支理过的数拌据和图表淋我们可以脂看到，支袋架旋杠转搏1来6屡度后风机巩在大风量济运转时，铁反转效率壳提高的比祖较多，但植由于此时窄正转效率努损失很大就，所以不肚适合风机爬的大风量叶运转。铁3.5籍箭支架旋象转决2伪0以度肆(挪模障型朗E田)僵：狗当支架旋碎转新2酒0视度后，对硬正转工况缴下的叶轮库入口气流艳产生了较绣大的影响拣（见班图跪5祖－卫3棍6逝），风机披在钩7越个风量下服正转运转下时，效率宰也都有了枝明显的下粱降，说明舱已不适合烛风机的正狸转运行。隔从风机反任转时，锅在妹65m巴3贱/疑s批和育70m伙3忙/宗s徐风量下，偶风机效率废较模丹型想D监下降。与羊初始模型妨相比细，托55m丘3祸/映s著和症60m拆3叶/启s筋风量下效贿率提高的纤最多。梅3.6垒浸整理后的蛙不同风量饭、支架旋鼻转不同角撞度正反转公效率及效胶率变化规则律速表蓬1僚为不同风摊量、支架茂旋转不同京角度正反朋转效率及首效率变化吹图寿6蒸烤风机正转匪工致况权讯秒图缺7贫阵风机反转笔工况挑图虎6量和肉图啄7苗分别为风傍机正转和滴反转时的夹支架转角突和风量效巾率的关系谈，从图中库可以看出示在转角垒为蓄5共度撤和爷1快0暂度的时候督正转效率拣下降较小微，在反转赤工况下转脉角益由彼0城度变夺为丽5秤度时效率晶有明显提城高。植4夏.四结论：竿通过将风辨机支架旋讨转不同的赛角度后做品分析和比钞较，可以偏总结出以丛下规律：愉⑴拣健正转工况宋：黄支架旋转旬角度较小执时，总体帅来说支架侄对气流的浅阻碍不大塌，风机效股率损失不聋明显。当匙支架旋转陕角度增大熟到一定程乎度，在高未风量工况喘下风机效责率首先会给出现一个泉显著的下嚷降，并且械随着支架峰旋转角度共的增大，价这个能引江起效率显烤著下降的于风量点向亲低风量工倡况方向移降动。俯⑵奖吼反转工况狡：呈支架未旋踪转时，由史于气流在区经过叶轮熄后要偏转寻一个角度存，与处在杀叶轮出口饼处的支架拍形成一个碎夹角，对寒支架产生上一定的冲拐击，造成箩效率的下讯降。当支揉架顺气流雷方向旋转顺后，由于伏气流与支服架夹角的掩减小，使故得支架对抚气流的影求响减弱，葛风机效率杀提高。气你流方向与灵支架形状驼平行的程移度越高，泳效率提高恶越明显。锡由于高风骂量工况下赵气流流经乎叶轮后偏帮转角度较辫小，因此示较小的支载架旋转角拿度对高风对量工况下堪效率的提毛高作用比划较明显。秘随着支架异旋转角度垃的增大，卷小风量工暮况下效率陈也会有比般较明显的酸提高，而鞠高风量工船况下效率育提高的幅庄度会慢慢面下降。当舞支架旋转兵角度增大晨到一定程暑度，高风胶量工况下四效率会有群下降的趋凝势。盾通过以上链的分析，野我们看到零，当支架浙旋转后，膨会导致正物转效率降窝低，反转灶效率提高翅。当支架霉旋转角度攀较小时，筋正转效率雪损失不大副而反转效瓣率会有明为显的提高瘦。而且由薪于我们在绞简化模型异的过程中屑多引入了致一个支架严，因此在甲实际的具赴有冬5制个支架的傅模型中，爱正转效率衔损失较上膊述计算还申要更小一个些。随着升支架旋转旗角度的增企大，在小牢风量工况概下反转效小率提高的灾很快，而库大风量工弃况下反转艇效率则提灶高幅度不垮大，甚至便会下降。芒因此大的寿旋转角度窝对反转工餐况下的小朴风量有利协。但过大酷的叶片旋饲转角度使穿正转效率断明显下降暗，对风机伤性能产生弯不利的影戴响。同时宾考虑到设寺计风机时蚕采用的标沸准风量都否是风机自绍身所对应纹的较大风痛量，在运谨行中大多滋是自身所区对应的大书风量运转半。因此，哗支架旋转配的角度应坝控制在较枪小的