G47－3No.8D型风机进气箱内气体流动的数值模拟及结构优化

刘福庆，王庆霞，徐平

（1.河北国华定州发电有限责任公司，河北省 保定市 073000；2.中国电力科学研究院，北京市 1001923.吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林省 吉林市 132001）

0 引 言

进气箱是离心风机的主要结构之一，其出口与集风器入口相连接。从效率的角度看最好不用进气箱［1］，例如双吸式离心通风机，在装有进气箱及进气弯道时，由于设备损失增加，致使通风机设备效率比通风机效率降低3%5%。然而对于双支承的大型风机，特别是双进气的离心通风机仍不得不采用进气箱。一方面，当进风口需要转弯时安装进气箱能改善进口流动状况，减少因气流不均匀进入叶轮而产生流动损失；另一方面，安装进气箱可使轴承装于通风机的机壳外，便于安装和维修，使锅炉引风机轴承工作条件更为有利［2］。

进气箱的几何结构不仅关系到气体在进气箱内的流动状况，而且对风机叶轮入口处的速度场和气流进入风机后的状态有较大影响。多年来，产品开发者大多注重对风机转动部件（叶轮等）的研究［3－4］，而对于进气箱这类静止部件研究甚少。实际上，进气箱存在问题较多，主要表现在以下2个方面：一是进气箱内部流场混乱，流动损失较大；二是出口速度分布极不均匀，甚至有回流现象发生，从而造成动叶进口条件恶化［5］。可见优化进气箱的结构是十分必要的。合理改造进气箱结构可以改善箱内和出口气体流动状况，从而提高风机效率。同时，由于进气箱结构比较简单，所以便于改造、投资小、见效快。目前对进气箱内气体流动特性的研究主要集中在实验研究方面［6－8］。本文采用 NUMECA 软件对 G47－3No.8D型风机的进气箱进行数值模拟，从理论上揭示流场压力损失的成因。

1 计算模型及边界条件

使用有限体积法离散三维Navier－Stokes方程，湍流模型为Spalart－Allmaras模型，离散格式为中心差分格式。进气箱网格划分如图1所示。

式中：ρ为流体密度；U 为流体速度矢量；φ为通用变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

对于解决动力漩涡黏性问题，Spalart－Allmaras模型是相对简单的方程，它包含了一组新的方程，在这些方程里不必去计算和剪应力层厚度相关的尺度，计算量比较小。湍流计算中，当精确计算不是必要条件时，采用Spalart－Allmaras模型是比较好的选择。对于本文，目的是对不同的模型进行比较，并不需要精确计算，因此选择了Spalart－Allmaras模型，其式为

计算工质为空气，采用速度入口和压力出口边界条件。入口速度为16m／s，速度方向垂直于入口截面，出口静压力为101.2kPa，温度为293K。

2 数值计算结果及分析

前苏联学者研究结果表明［11］：水流流经弯头时，由于离心惯性力的作用，外壁压力升高，内壁压力降低；外壁处的流速相应地较小，内壁处的流速则较大。这样，靠近外壁产生扩散效应，内壁则产生收敛效应。又由于离心惯性力的作用，水流在弯头中向外壁方向流动，因此加强了水流对内壁的脱离，在内壁附近形成涡流区，并作三维扩散，致使有效断面减小。空气在弯曲管道中的流动同样也具有这种流动特性。

图2是进气箱的轴向中心截面与出口截面的速度矢量图。

图2 速度矢量图Fig.2 Velocity vector diagram

由图2（a）可以看出，进气箱底部是一个90°的直角转弯。流体流经转弯处时，在离心惯性力的作用下，转弯内侧压力会急剧下降，而外侧压力提高。流体将会在有限的区域高速流动，而在其他区域的速度明显低于该区域。在转弯低部靠近左侧壁面远离高速区域，一部分高速流体将从主流区流向此处，因此产生一个小型的涡流区域。在右侧上方靠近壁面处，由于高速的流体经过转弯处后与壁面脱离，此处流动速度非常低。而它的下部是主流区域，流体的流动速度很高，因而周围的流体就会沿壁面向上部补充，在这个区域产生了强的大型涡流。并且由于此处靠近出口，旋涡还会引导一部分流体从出口流向模型内部，故同时伴随较强的回流，如图2（b）所示。上述涡流和回流中流体相互摩擦产生耗散效应，使流体能量损失很大。

另外，由图2可以看到一个连续的高速区域，尤其在模型出口前段，流体被限制在距出口大约2／3的范围内，流体速度很高。高速的流体与周围低速流体和壁面相互摩擦使能量损失增加。可见这种结构的进气箱内部流场比较混乱，出口速度极不均匀。此模型出口连接的是风机叶轮，因此还会导致叶轮的进口气流不稳定，扰乱叶轮内流体的正常分布，使得风机运行效率大大下降。高速流体冲击叶轮和叶片会给风机的安全运行带来不稳定因素，这种不稳定的流动还会带来较大的噪声和振动，恶化了风机的工作环境。

3 改造方案

3.1 计算模型

为了提高进气箱效率，降低流体的能量损失，针对产生涡流和回流的部位对进气箱的结构进行相应的改进，以此改善涡流区域的流动状况，消除或减弱涡流。为了消除进气箱底部左侧的涡流，减弱流体对底部的冲击，提出了如图3（b）所示的改造模型，即将进气箱下部直角转弯处改为平滑的圆弧形，其中的圆弧半径R为47cm，与左侧竖直的壁面相切。而为了减弱出口的涡流和回流，又在第1种方案的基础上在进气箱的水平通道的中心位置处加入1块水平的导流板与1块倾斜的导流板，如图3（c）—（f）所示，导流板将圆柱分割成了2个部分。

图3 进气箱及其改造模型轴向截面图Fig.3 Axial section of inlet box and its reformation models

改造后的模型采用的计算方法和边界条件与原进气箱模型相同。

3.2 数值计算结果及分析

图4是改造后的进气箱模型轴向中心截面与出口截面处的速度矢量图和出口截面的等速度线分布图。表1给出了6种模型的压力损失值。

由图4（a）可以看出，将进气箱下部改为圆弧形后，气体在这里可以沿着壁面平滑地转弯，减弱了此处流体对进气箱下部的冲击，使气体流动更加顺畅，这样就消除了其下部的涡流，达到了减小流动损失的

?

3.2.1 改造模型1

目的。但是将进气箱下部改为圆弧形后，对上部的流场几乎没有影响，强涡流与大回流依然存在。而此处是流动损失较大的部位之一，所以对流动阻力的减小没有太大的帮助。再者，由于高速的流体还在原来的区域活动，并且没有减弱，所以由这个因素产生的损失也没有减小。因此在此模型的基础上作了进一步的改造，提出了以下几种改造模型。

3.2.2 其他改造模型

改造模型2、3都是在改造模型1的基础上加入了1块水平导流板。如图4（b）、（c）所示，由于加入了导流板，从弯管内侧切过来的高速流体被一分为二。从导流板上面流过的流体冲击由强涡流和大回流组成的区域下部，内侧流体脱离壁面的程度降低，使得出口涡流与回流区域明显减小。由于这部分区域的减小和区域内涡流和回流的减弱，使得阻力损失减小很多，并且模型的出口处速度分布也有所改善，有利于风机运行。从导流板下侧流过的流体基本还按原来的轨迹流动，但是导流板下侧的空间（由上侧高速流体占据）会使这部分流体速度稍微降低，且在出口处占据了模型的下半部分。这样就使得流体速度梯度和出口速度有所降低，在一定程度上限制了阻力损失，优化了叶轮入口速度分布。由图4可以看出，改造后的风箱出口气流分布相对均匀，回流和涡流也大大减低。当然，导流板也会增加流体的摩擦损失，增加了气流的湍流度，使得阻力损失有所上升。

改造模型4（见图4（d））是在圆柱的中心加装1块倾斜的导流板，目的是为了使出口较低的上部速度提高，并且用高速流体压缩原上部低速区域，使得原来的大涡流和强回流进一步减弱。从实际计算的结果看这两点都实现得很好。由于导流板距离模型出口很近，流体在这个区域还没有充分作用就进入叶轮内部，使得出口（叶轮入口）中心位置速度很低。这种中心速度低、四周速度高的流体分布，有利于风机的运行。但是由于倾斜，使得导流板下部的涡流区域扩大，压力损失也相应增加很多。

改造模型4＊（见图4（e））是在改造模型4的基础上改造而成的，将模型4的导流板换成机翼形的叶片。改造后发现，原来的大涡流和强回流得到了有效的抑制，新出现的涡流很小，出口的速度分布更加均匀，压力损失比改造模型4小很多。

从改造后的结果看，改造模型4＊对原涡流和回流的抑制效果最好，改造模型2的效果最差，而改造模型3和改造模型4＊的出口速度分布最均匀。由表1可以看出，加装导流板后压力损失增加很多，尤其是加装倾斜式导流板后压力损失最大。改造模型2与改造模型3的压力损失相差不大，但是改造模型3的出口速度分布更均匀，如果将其改成机翼型导流板，那么效果将更好，损失将更小。如果用改造模型3作为风机的进气箱，虽然风机入口压力损失会有所提高，但是更有利于风机流场的分布，有利于提高风机性能和风机压头。

4 结 论

进气箱的几何结构对气流进入风机后的流动状态的影响极为显著。采用数值计算软件对进气箱内部流体流动进行数值模拟可以直观地显示出其内部的三维流场，便于找到影响流体流动的因素，进行合理的改造和优化设计。本文对引风机进气箱进行了数值模拟，并针对其不足之处进行了优化设计。采用本文提出的进气箱改造方案，流体流动阻力虽然比改造前有所增加，但是出口速度分布更加均匀，有利于提高风机运行效率和性能。

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