CN215633861U

CN215633861U - 一种烟囱风机

Info

Publication number: CN215633861U
Application number: CN202120617267.0U
Authority: CN
Inventors: 白沥冰; 马慧; 王康乐; 李纪平; 龙燕; 于长平; 王琪; 白萨茹拉; 张伟宏
Original assignee: Beijing Sunlon Livestock Development Co ltd
Current assignee: Beijing Sunlon Livestock Development Co ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2031-03-26

Abstract

本实用新型提供一种烟囱风机，由室内向室外方向依次包括：进口及其延伸段、叶片段、出口段、以及出口延伸段，其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比介于0.2460‑0.2497，出口延伸段的内径沿室内向室外方向递增，形成一扩散角及一扩散深度，其中，扩散角的角度介于8‑28度。本实用新型提供的烟囱风机，通过内径、扩散角及扩散深度三个方面对风机的参数进行优化，获得了正交最优参数，将风机的风量和能效比分别提升了7.9%及8.1%。

Description

一种烟囱风机

技术领域

本实用新型涉及通风设备技术领域，具体涉及一种烟囱风机。

背景技术

烟囱风机是一种轴流管道风机，在工业制造、化工、食品生产、农业养殖等方面都有一定规模的应用。但烟囱风机流量小、能效比偏低的情况依然不可避免，有效提高烟囱风机风量、提高能效比对其应用推广至关重要。在推动行业发展的同时做到节能减排，是当今世界各国都在倡导推进的经济发展模式，我国每年风机使用产生的电能消耗量约占全国总发电量10％，随着相关条款及规定的颁布与实施，对风机行业有了明确要求，产品性能应朝着低碳、绿色、环保、节能方向转型和发展。

相对于实验测试，以空气为介质的CFD数值模拟计算由计算机完成，省时省力，又可以对较复杂的风机内部流畅进行模拟分析和预测。合理的造型、建模和计算模型选择直接影响后续模拟结果的质量和精度。在通风道的进口处，气体流速会迅速提升，这时的流动状况比较复杂，对风机的进口段进行相应改型，优化气体流动方式，可以有效减小气流在管道内扰动，也能够降低后续气流流动阻力。

实用新型内容

本实用新型提供一种烟囱风机，由室内向室外方向依次包括：进口及其延伸段、叶片段、出口段、以及出口延伸段，其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比介于0.2460-0.2497，出口延伸段的内径沿室内向室外方向递增，形成一扩散角及一扩散深度，其中，扩散角的角度介于8-28度。

其中，扩散深度的长度介于50-250mm。

其中，扩散深度与烟囱风机总长比介于0.0198-0.0991。

其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比介于0.2465-0.2469。

其中，扩散角的角度介于23-28度。

其中，扩散深度的长度介于200-250mm。

其中，扩散深度与烟囱风机总长比介于0.0793-0.0991。

其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为28度，扩散深度为200mm。

其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为23度，扩散深度为250mm。

其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为23度，扩散深度与烟囱风机总长比为0.0991。

本实用新型以烟囱风机为实例，运用CFD数值模拟方法优化烟囱风机的内径、出口段扩散角度以及扩散深度，找到性能最优参数，并根据优化结果制作烟囱风机样机，得到烟囱风机的性能优化结果，为畜禽养殖生产通风系统提供了理论依据。本实用新型提供的烟囱风机，将风机的风量和能效比分别提升了7.9％及8.1％。

附图说明

图1：本实用新型的烟囱风机结构示意图。

图2：本实用新型的烟囱风机的计算域模型。

图3：本实用新型的烟囱风机湍流模型风量模拟结果对比图。

图4：本实用新型的烟囱风机湍流模型能效比模拟结果对比图。

图5：本实用新型的基础风机与优化风机的风量对比结果图。

图6：本实用新型的基础风机与优化风机的能效比对比结果图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案及其产生的有益效果。

一、基础风机的制备及性能测试

图1为本实用新型的基础风机的结构示意图，如图1所示，本实用新型提供的烟囱风机，由室内向室外方向依次包括：进口及其延伸段10、叶片段 20、出口段30、以及出口延伸段40，其中，出口延伸段的内径沿室内向室外方向递增，形成一扩散角α及一扩散深度l；在风机总体长度恒定的情况下，本实用新型主要从风机的进口及其延伸段内径d、扩散角α及扩散深度 l三个方向研究其最优参数。

基于图1所示风机结构，本实用新型首先制备一个基础风机，其叶片直径，也即进口及其延伸段10的内径为630mm，总长度2523mm，扩散深度为 103mm，扩散角为8度。该基础风机的性能测试结果如下表所示：

表1基础风机性能测试结果

二、风机模型及计算域

图2为本实用新型基于风机的结构特点以及所制备的基础风机的尺寸参数等所构建的计算域模型：其中对于进口及延伸段，考虑到进口段连接于密闭风室试验台，故将烟囱风机进口端加长一个3000mm×1000mm×2000mm的计算域，与风机进口共同作为计算模型的进口段；对于风机出口，同样在风机出口段后设置空气域，尺寸为4000mm×3500mm×6000mm。

1、边界条件设置

如图2所示，进口处边界条件设置为压力进口，根据风洞试验台测试值设置进口静压；出口边界为风机出口直接与大气接触，设置为出口相对静压 0Pa；其余部分设置为壁面边界条件；叶片段设置旋转域。

2、数值计算方法

本实用新型的烟囱风机属于低压轴流风机，对这一类农用风机优化模拟的相关研究文献较少，模拟选择湍流模型时没有统一的标准。对于标准k-ε模型，其对绝大数工程案例都适用，但可能对壁面流动、强旋流流动有一定程度失真；RNG k-ε模型能够很好的处理较高应变率和流线弯曲程度大的流动；SST k-ε模型因考虑湍流剪切力能够较好的预测流动的初始状态和负压力梯度情况下的流动分离变量。在建立合适计算域、确定边界条件后，应用标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型分别对所构建烟囱风机模型进行数值模拟，对计算结果与实验测试结果从风量和能效比两方面进行对比，如图3及图4所示，其中，图3为烟囱风机湍流模型风量模拟结果对比，图4为烟囱风机湍流模型能效比模拟结果对比。

从图3及图4可以看出，利用计算机对烟囱风机风量进行数值模拟时，分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型进行数值模拟计算。对比数值模拟结果与实验测试数数据，其中标准k-ε模型、RNG k-ε模型模拟结果相差不大；与SST k-ε模型结果相比，标准k-ε模型、RNG k-ε模型与实验测试更为接近，两者与SST k-ε模型的平均误差分别为3.3％和 3.5％；对于能效比，三种数值模型的模拟结果都略高于实验测试结果，分析其中原因，数值模拟时没有考虑风机调速器、功率表本身和较长线路产生的能耗，导致数字模拟计算功率较小，从而得出的能效比模拟值优于测试值。综合考虑模拟结果及工程应用，拟选用标准k-ε模型进行后续优化改型模拟，模型方程中引入动能耗散率ε和湍动能k，可以解决大部分湍流问题。

三、风筒单因素优化结果分析

本实用新型主要从烟囱风机的风筒结构出发，对其内径d(这里用内径比k表示)、出口段扩散角度α和扩散深度l三方面进行改型优化，寻求各单因素对风机风量和能效比的影响，并综合分析风机整体性能的变化。

1、内径比对风机性能的影响

以基础风机630mm的内径为基准，通过内径比表征不同实施例的内径参数，内径比k＝d＇/d，具体的，d＇为模拟的各实施例的风筒内径尺寸，mm； d为基础风机的风筒内径尺寸，mm。

在维持风筒其它部分形式和尺寸不变前提下，分别对内径比k为0.985、0.988、0.990、1.000、1.005的尺寸模型进行数值模拟，得出数值模拟不同内径比k值时，烟囱风机的风量和能效比值如表2所示。

表2不同内径比时风机风量和能效比的值

与基础风机相比，风量和能效比都随内径比k的减小而增大。从表2可以看出，当k＝0.985和k＝0.988时，烟囱风机风量和能效比比基础风机 (k＝1.000)提升明显，分别提高4.7％、4.0％和3.2％、3.2％。由此可见，内径比k的变化(即改型风筒内径尺寸)对烟囱风机性能提升有一定促进作用。

内径比k的变化对风筒内静压分布和气流状态也产生一定影响。本实用新型选取分析了内径比k＝0.990、k＝0.988、k＝0.985时，叶片附近近壁面处 (放大图中圆圈部分，进行分析对比)的流线特征和静压分布，本实用新型获取了基础风机及k值分别为0.990、0.988及0.985的风机的叶片附近壁面处静压、流线分布图(图未视)：相对于基础风机，当k＝0.990、k＝0.988、 k＝0.985时，流线旋涡范围都有一定减小。静压-140Pa<P<-50Pa范围分布有所减小，其中-140Pa<P<-80Pa范围分布随内径比k的减小而减小， -80Pa<P<-50Pa负压分布规律不明显，但k＝0.988、k＝0.985都比k＝0.990 时分布范围小。由此可见，内径比k改变，可以降低气流在叶片附近近壁面处流线漩涡范围及其周围负压区面积，从而降低扰流，平衡静压分布，对烟囱风机性能提升起到促进作用。

2、扩散角对风机性能的影响

风筒出口段存在一定扩散角，在保证风筒其它位置形式和尺寸不变前提下，分别对出口段扩散角α为8°、13°、18°、23°、28°的风机模型进行了数值模拟计算，得出不同扩散角α时风量和能效比的值性如表3所示。相比基础风机，随着出口扩散角α增大，风量和能效比也增大。从表3可以看出，当α＝18°、23°、28°时，风机风量和能效比提升较明显，风量平均提高2.6％、4.3％和4.7％，能效比平均提升3.5％、4.4％和5.3％。

表3不同扩散角时风机风量和能效比的值

出口段扩散角度α变化对风筒内静压分布和气流状态同样产生一定影响。本实用新型选取分析了扩散角α＝18°、23°、28°时，本实用新型获取了基础风机以及α＝18°、23°、28°的风机的叶片附近壁面处静压、流线分布图(图未视)：相对于基础风机，当α＝18°、23°、28°时，同一位置下流线扭曲范围都有一定减小，但三种扩散角度间差别不大。静压在 -140Pa<P<-80Pa范围内，优化后的结果较基础风机衰减明显，其它压力分布区域差异不大。可见，改变风机出口段扩散角度，可以有效减小气流在叶片附近近壁面处流线扭曲，降低扰流，同时对平衡静压分布也起到一定促进作用。

3、扩散深度对风机性能的影响

风筒出口段存在一定扩散深度，在保证风筒其它位置形式和尺寸不变前提下，分别对出口段扩散深度l为50mm、103mm、150mm、200mm、250mm的风机模型进行了数值计算，得出不同扩散角深度时风量和能效比的值性如表 4所示。

表4不同扩散深度时风机风量和能效比的值

从表4得出，风量和能效比随出口扩散深度的增大而增大。扩散深度 l＝150mm、200mm、250mm时，风量平均提高1.3％、1.7％、1.8％，能效比只提升1.4％、2.9％、3.2％。可以看出，同内径比k与扩散角α相比，改变出口扩散深度l引起的风机性能提升相对较小。

出口段扩散深度l的变化对风筒内静压分布和气流状态同样产生一定影响。本实用新型获取了扩散深度l＝150mm、200mm、250mm以及基础风机的叶片附近近壁面处流线特征和静压分布图(图未视)：相对于基础风机，当 l＝150mm、200mm、250mm时，流线扭曲同样有一定减小，l＝200mm、250mm虽然都比l＝150mm时漩涡更小，但其两者间差别不大。当l＝150mm、200mm、250mm 时，-140Pa<P<-50Pa负压区有不同程度减小，l＝250mm时减小更明显。可见，改变出口段扩散深度，同样可以降低气流在叶片附近近壁面处流线漩涡及其周围负压区面积，从而降低扰流、平衡静压分布，对烟囱风机性能提升起到促进作用。

四、风筒多因素正交优化结果分析

根据对烟囱风机风筒内径比k、出口段扩散角度α、出口段扩散深度l 三方面的优化改型结果，采用正交优化方法综合以上三个因素，以优化风机风量和能效比为为目标，寻求烟囱风机风筒改型优化的最优结果。

1、正交设计方案

结合风机性能提升情况，首选各单因素较好的3参数设计L9(33)正交试验，具体为k＝0.990、0.988、0.985，α＝18°、23°、28°，l＝150mm、200mm、 250mm。对以上因素水平组合模拟，正交计算结果如下表5所示。

表5各因素变量正交设计计算结果

注：基础风机同工况下风量为5034m³/h，能效比为12.77m³/(h·W)

表6最优参数设计性能提升对比

风量最优参数为k＝0.988、α＝28°、l＝200mm(S1)；能效比最优参数为 k＝0.988、α＝23°、l＝250mm(S2)。模拟计算两种情况下风机性能，分析如表6所示。

可以看出，S1和S2相较于基础风机在风量方面都有很大提升，S1比S2 提升更高，且在全压范围内都比S2表现更好；在能效比方面，S1和S2相较原型风机虽然有很大提升，但就两者差别并不大。综上所述，S1和S2能效比增量相近，但S1比S2风量增加更明显，认为S1比S2在风机性能方面表现更好，选取参数为k＝0.988、α＝28°、l＝200mm为正交最优设计。

2、正交最优设计流态对比

本实用新型最后针对比较基础风机及根据正交优化结果制备的最佳的烟囱风机的叶片附件壁面处静压、流线分布图(图未视)：相较于基础风机，正交最优设计后，在烟囱风机流道内的同一位置处，流线扭曲的范围明显减小，同时-140Pa<P<-50Pa负压区面积也明显减小。由此可见，正交最优设计可以减小气流在叶片附近近壁面处流线扭曲，降低扰流，同时可以改善负压分布，有效平衡静压，对优化风机性能起到促进作用。

3、优化样机与基础风机实验对比

根据前述，通过正交设计方案数值模拟得出的最优设计，在风机性能和风筒内部流态比原型风机都有很大程度提升和改善，因此认为正交最优设计参数k＝0.988、α＝28°、l＝200mm的风筒结构是可行的设计方案。本实用新型根据优化后的烟囱风机流道参数，加工制作了烟囱风机流道，并沿用基础风机的电机、叶片等装置，组装成优化后的烟囱风机样机，并将最佳的烟囱风机与基础风机进行了对比。

图5及图6分别为本实用新型的基础风机与优化风机的能效比及风量对比结果，由图5及图6可知，优化样机各工作静压下的风量和能效比相较基础风机都有很大程度提升，风量和能效比平均提升4.6％和4.5％。

综上，最优样机较基础风机在风量和能效比方面都很大程度提升，即参数为k＝0.988、α＝28°、l＝200mm的结构优化，通过实验测试验证是有效的优化方案。

虽然本实用新型已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本实用新型的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本实用新型所保护的范围，因此本实用新型的保护范围以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种烟囱风机，其特征在于：由室内向室外方向依次包括：进口及其延伸段、叶片段、出口段、以及出口延伸段，其中，进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比介于0.2460-0.2497，出口延伸段的内径沿室内向室外方向递增，形成一扩散角及一扩散深度，其中，扩散角的角度介于8-28度。

2.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：扩散深度的长度介于50-250mm。

3.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：扩散深度与烟囱风机总长比介于0.0198-0.0991。

4.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比介于0.2465-0.2469。

5.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：扩散角的角度介于23-28度。

6.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：扩散深度的长度介于200-250mm。

7.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：扩散深度与烟囱风机总长比介于0.0793-0.0991。

8.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为28度，扩散深度为200mm。

9.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为23度，扩散深度为250mm。

10.如权利要求1所述的烟囱风机，其特征在于：进口及其延伸段的内径与烟囱风机总长比为0.2467，扩散角的角度为23度，扩散深度与烟囱风机总长比为0.0991。