CN104806571A - 一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机。本发明的技术要点是，蜗壳的外型线采用阿基米德螺旋线，蜗壳的横截面采用贝塞尔曲线；蜗壳的出口直径相对于原机型减小，蜗壳的开度相对于原机型增大，蜗舌的位置相对于原机型增大，即采用短蜗舌，具体尺寸满足运用计算流体力学模拟对其进行整机的数值模拟、对风机各部分流道单独进行能量分析而优化得出。本发明提供了一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，考虑蜗壳内部的三维粘性流动，使得蜗壳的流动损失减小，最终实现该离心鼓风机的多变效率和压比得到提高，同时扩宽了鼓风机在大流量工况下的运行范围。

Description

一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机
技术领域
本发明属于流体机械技术领域，具体涉及一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机。
背景技术
目前，我国使用的鼓风机大多为七八十年代的产品，由于当时设计条件的限制，鼓风机的效率普遍不高，其中传统的蜗壳设计，一般近似的按自由流动的轨迹，即按照动量矩守恒定理来设计，忽略了流体的粘性，蜗壳型线是一条阿基米德螺旋线，为了简化通常用四条圆弧代替，蜗壳截面的形状则包括梯形、贝塞尔曲线型、圆形等，蜗壳的设计方法是采用理论和经验结合的方法，并没有完全考虑蜗壳内部的复杂三维粘性流动，使得蜗壳内流动损失较大，同时在大流量工况下效率急剧降低，大流量运行范围较窄，离心鼓风机整体运行效率不高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机。本发明考虑蜗壳内部的三维粘性流动，使得蜗壳的流动损失减小，最终实现该离心鼓风机的多变效率和压比得到提高，同时扩宽了鼓风机在大流量工况下的运行范围。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，其过流部件包括进口装置、叶轮和蜗壳，气体从风机进口装置轴向进入叶轮，然后进入蜗壳，从蜗壳出口出来；其特点是：蜗壳的外型线采用阿基米德螺旋线，蜗壳的横截面采用贝塞尔曲线；蜗壳的出口直径相对于原机型减小，蜗壳的开度相对于原机型增大，蜗舌的位置相对于原机型增大，即采用短蜗舌，具体尺寸满足运用计算流体力学模拟对其进行整机的数值模拟、对风机各部分流道单独进行能量分析而优化得出。
具体的，所述原机型为D250-11离心鼓风机，所述蜗壳的出口直径减小为447.8mm，所述蜗壳的开度增大为308.9mm，所述蜗舌的位置增大至位于与蜗壳垂直方向偏离28°的位置。
具体的，所述蜗壳的贝塞尔曲线截面的夹角为70°。
本发明通过对离心鼓风机原机型的计算流体力学模拟，详细分析离心鼓风机内部流场情况，对进口流道、叶轮流道和蜗壳流道分别进行效率分析，找到导致鼓风机效率不高的主要部位是蜗壳流道，然后再针对蜗壳进行结构改造，并对改造后的离心鼓风机进行计算流体力学模拟，最终得到优化后的离心鼓风机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用优化蜗壳后，该离心鼓风机在400m3/min设计工况点时，出口静压力提升1358.1Pa，轴功率减少2.86kW，多变效率提高4.384％，同时扩宽了风机在大流量工况下的运行范围，多变效率相对较高。
附图说明
图1为本发明实施例离心鼓风机优化前的立体结构示意图。
图2为本发明实施例离心鼓风机优化前的蜗壳外型线的结构尺寸图。
图3为本发明实施例离心鼓风机优化前的蜗壳横截面的结构尺寸图。
图4为本发明实施例离心鼓风机优化后的蜗壳外型线的结构尺寸图。
图5为本发明实施例离心鼓风机优化后的蜗壳横截面的结构尺寸图。
图6为本发明实施例离心鼓风机优化前后的出口静压力对比分析图。
图7为本发明实施例离心鼓风机优化前后的多变效率对比分析图。
图8为本发明实施例离心鼓风机优化前后的轴功率对比分析图。
具体实施方式
参见图1，本发明的基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，其部件组成与图1所示普通离心鼓风机的部件组成相同，其过流部件均包括进口装置、叶轮和蜗壳，气体从风机进口装置轴向进入叶轮，高速旋转的叶轮对气体做功，使得气体速度和压力都得到提高，然后进入蜗壳，气体速度降低将动能转换成压力能，风机蜗壳出口得到较高的静压能。图1中，1为蜗壳，2为叶轮，3为叶片，4为风机的轴向进口，5为蜗舌，6为蜗壳出口。参见图2至图5，本发明高效离心鼓风机的特点是：蜗壳的外型线采用阿基米德螺旋线，蜗壳的横截面采用贝塞尔曲线；蜗壳的出口直径相对于原机型减小，蜗壳的开度相对于原机型增大，蜗舌的位置相对于原机型增大，即采用短蜗舌，有利于提高大流量下的效率；具体尺寸满足运用计算流体力学模拟对其进行整机的数值模拟、对风机各部分流道单独进行能量分析而优化得出。
下面以原机型为D250-11的离心鼓风机为优化对象，对本发明作进一步的说明，该鼓风机结构见图1。其转速为2950rpm，风机进口4是直径为550mm的圆形进口，叶轮2为闭式叶轮，叶轮2进口直径为560mm，叶轮2出口直径为1170mm，叶片3进口宽度为76mm，叶片3出口宽度为43mm，蜗壳1出口直径为450mm，叶轮2内共有19个圆弧形叶片3，叶片3厚度为4mm，叶片3的进口安装角为31°，出口安装角为50°，设计流量为400m3/min，设计压升为20kPa，蜗壳的参数见图2、图3。根据进口、出口、蜗壳参数建立数值模型，进行计算流体力学模拟，得到了鼓风机在整个工况内的性能曲线，通过计算对比进口流道、叶轮流道和蜗壳流道的多变效率、全压效率和流动损失，发现蜗壳的损失较大。因此在保持该鼓风机进口和叶轮部分不变的情况下对蜗壳进行如下改型设计：(1)蜗壳采用阿基米德螺旋线，在0°、90°、180°、270°、332°(0°为蜗壳正上方位置，即图4中e的位置)从蜗壳外型线到蜗壳中心的距离为968.9mm、891.0mm、813.9mm、736.7mm、694.4mm。(2)蜗壳横截面由原来蜗壳夹角为45°的梯形截面改为夹角为70°的贝塞尔曲线截面，如图5所示。(3)将离心鼓风机蜗壳的出口直径由450mm减小至447.8mm。(4)蜗壳的开度由原来的300mm增加为308.9mm。(5)优化后的蜗舌位于与垂直方向(c-e剖面的位置)偏离28°的位置，如图4所示。将优化蜗壳后的离心鼓风机进行整机全工况的数值模拟，提高了大流量下的运行范围，优化后的离心鼓风机的多变效率和出口静压力都得到提高，如图6、图7所示。从图6、图7、图8可见，采用优化蜗壳后，该离心鼓风机在400m3/min设计工况点时，出口静压力提升1358.1Pa，轴功率减少2.86kW，多变效率提高4.384％，同时扩宽了风机在大流量工况下的运行范围，多变效率相对较高。

Claims (3)

1.一种基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，其过流部件包括进口装置、叶轮和蜗壳，气体从风机进口装置轴向进入叶轮，然后进入蜗壳，从蜗壳出口出来；其特征在于：蜗壳的外型线采用阿基米德螺旋线，蜗壳的横截面采用贝塞尔曲线；蜗壳的出口直径相对于原机型减小，蜗壳的开度相对于原机型增大，蜗舌的位置相对于原机型增大，即采用短蜗舌，具体尺寸满足运用计算流体力学模拟对其进行整机的数值模拟、对风机各部分流道单独进行能量分析而优化得出。
2.根据权利要求1所述基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，其特征在于：所述原机型为D250-11离心鼓风机，所述蜗壳的出口直径减小为447.8mm，所述蜗壳的开度增大为308.9mm，所述蜗舌的位置增大至位于与蜗壳垂直方向偏离28°的位置。
3.根据权利要求2所述基于计算流体力学模拟的高效离心鼓风机，其特征在于：所述蜗壳的贝塞尔曲线截面的夹角为70°。
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