船用离心通风机高效节能改进设计

赵 博，陈 朋，丁可金，顾军威

（1.海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031；2.中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

船用离心通风机高效节能改进设计

赵 博1，陈 朋2，丁可金2，顾军威2

（1.海军驻上海七〇四所军事代表室，上海 200031；2.中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

开展某型船用离心通风机节能改进设计，采用数值仿真对改进前后风机内部流场进行了分析，揭示了流动对风机整体性能的影响，样机试验表明风机节能改进效果明显，本文的设计方法对离心风机节能改进具有较高的应用价值。

离心风机；数值模拟；节能

0 前言

离心通风机在船舶通风、换气、采暖、除尘、输送易燃易爆气体等方面有着无可替代的作用，是船舶辅助保障系统的重要设备之一。目前，国内船用风机普遍存在结构陈旧、效率低下的问题。随着船舶建造规模的加大和现代科技的发展，能够满足现代船舶可持续发展要求的高效节能风机产品已经成为本类产品的发展趋势。因此，通过结构设计改进进行通风机节能技术研究是一项十分有意义的课题。研究工作可为我国船舶业的发展提供更好配套产品，弥补我国此类产品的不足，同时，船用风机节能减排方面的研究也符合我国可持续发展的大趋势，具有长久的意义。

1 改进方案

改进工作针对A型船用离心风机，该型风机额定流量7000m3/h、全压2450Pa、转速2900r/min，在实际使用过程中发现该型风机效率较低，在额定工况下约为61%。

A型风机主要由叶轮、蜗壳以及进口集流器等组成。风机叶轮采用径向直叶片，长短叶片间隔分布，前后盘平直结构，图1为揭开前盘的叶轮结构示意图。这种结构的风机具有制造方便，适合于正反转的特点，主要缺点是流动损失大，效率低下。

如图2所示，径向叶片进口几何角度与圆周方向为90度，而气流进入叶片流道的相对速度的方向一般小于45度，因此气流与叶片的冲角大于45度。进口气流的冲角大，气流在叶片表面会产生附面层分离，产生能量损耗，导致整个叶轮的效率降低。此外，叶轮采用平前盘，靠近前盘的气流容易分离，这对风机的整体性能也会产生不利的影响。

图1 原型风机叶轮结构

图2 叶轮进口速度三角型

为了减少进口处气流的冲角，使叶片与设计工况下进口气流的角度相互协调，改进风机采用采用后弯叶片结合弧形前盘的型式，如图3所示。

图3 后弯叶轮

2 数值模拟分析

采用流体计算软件NUMECA对A型风机和改进风机进行数值模拟计算分析。数值计算采用了 NUMECA FINE软件包的Euranus求解器。采用Jameson的有限体积差分格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺时均Navier-Stokes方程进行求解，采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，为提高计算效率，采用了多重网格法、局部时间步长和残差光顺等加速收敛措施。

计算中，轮毂、机匣以及叶片等固壁上给定绝热无滑移边界条件，风机上游延伸段进口边界条件取总压为101325Pa、进口总温为288.2K，进口气流方向为轴向。风机下游延伸段出口边界条件设为平均静压，通过不断调整出口延伸段背压获得特性线。当风机出口背压调整到一定程度时，经过一定迭代步数后各物理量不收敛时，认为进入不稳定工况[1-4]。

图4 计算网格

2.1 A型风机计算结果分析

叶轮作为风机的核心部件，决定着风机的主要性能，下面通过分析叶轮内部流场，找出A型风机性能差的主要原因。

图5给出了额定流量状态下，约10%、50%及99%三种叶高处叶片通道内相对速度分布矢量图。从图中可观察到，无论何种叶高处，叶片通道内均存在大范围的气流分离区，并且气流分离位置就在叶片的前缘处，同时靠近叶片压力面处通道内出现明显的旋涡状气流区。对比可发现 50%叶高处叶片通道内气流分离现象较其它两个叶高处的恶劣，该叶高下通道内的气流分离区最大，并且进口气流的冲角明显比其它两个叶高时的大。由此可看出进口气流冲角过大造成叶片吸力面处的附面层分离，由此产生较大的流动损失，甚至有可能会引起叶片流道堵塞，对风机性能产生不利影响，导致风机效率低下。

2.2 改进风机计算结果分析

图6～图8给出了额定流量状态下，约10%、50%及99%三种叶高处A型风机叶轮和改进风机叶轮通道内相对速度分布矢量图。从三图中可观察到，无论何种叶高处，A型风机叶片通道内均存在大范围的气流分离区，靠近叶片压力面处通道内出现明显的旋涡状气流区，流动状况较差。而改进风机叶片通道内，气流流动状态有明显改善，气流在叶片吸力面的分离起始位置靠后，推迟了气流分离，减小了分离区，从而提高整体效率。在另一方面，分离区的减小，同时能够降低流动产生的非定常激振力，从而改善风机的整体运行状况。

图9为计算获得的改进风机和A型风机流量效率曲线图和流量全压曲线图，由图可以看出，改进风机流量全压曲线与A型风机基本一致，而整体效率明显高于A型风机。

图5 额定流量下不同叶高处相对速度矢量分布图

图6 两种叶型约10%叶高处相对速度矢量分布图

图7 两种叶型约50%叶高处相对速度矢量分布图

图8 两种叶型约99%叶高处相对速度矢量分布图

3 试验结果分析

在数值计算的基础上，完成了改进风机制造及性能试验，与A型风机试验数据对比验证改进效果，试验数据见表1。

根据试验数据换算结果，得到图10、图11、图12分别为改进前后风机流量全压曲线图、流量效率曲线图和流量功率曲线图。总体而言，改进风机流量、全压基本与A型风机相同，而效率和功率则都有较大幅度的改善。如图10，改进风机在整个流量范围内，全压曲线略高于A型风机对应曲线，整体走势基本一致。如图11，改进风机效率曲线始终都高于A型风机效率曲线，在额定工况点7000m3/h处，A型风机对应效率约为61%，而改进风机对应效率则提高至75%左右。从图12可以看到，在整个流量范围内改进风机消耗功率明显低于A型风机，在额定工况附近，A型风机轴功率约为15.5kW，而改进风机约降低至12.5kW左右。

表1 试验数据表

图10 改进前后风机实测流量全压曲线图

图11 改进前后风机实测流量效率曲线图

图12 改进前后风机实测流量功率曲线

4 结论

1）试验结果显示，改进风机在额定工况点，流量7000m3/h、全压约2500Pa，效率达到75%左右，功率相对原风机降低约20%，说明改进风机在保证A型风机性能的基础上，效率获得了较大的提高，功率损耗大幅度降低，节能效果明显；2）通过流场计算分析，有效的揭示了A型风机效率低下的主要原因，较为准确的预估了风机的改进效果，计算结果与实际试验结果较为一致，说明数值计算仿真能够为通风机设计研究提供有效的借鉴和帮助；3）本文的设计方法可以十分容易的推广到其他离心通风机的节能改进，对实际工程应用具有较高的指导意义。

[1]王小华,黄东涛,等.离心风机子午通道内湍流场数值模拟[J].应用力学学报,1998,15(1):50-54.

[2]陆蓓蕾,陈瑞球,石富金.离心风机的三维数值计算[J].煤矿机械,2005(4):23-24.

[3]曹淑珍,祁大同,张义云,等.小流量工况下离心风机蜗壳内部的三维流动测量分析[J].西安交通大学学报,2002,36(7):688-692.

[4]游斌,谢军龙,等.多翼离心风机的三维数值分析[J].工程热物理学报,2003,24(3):419-422.

Improved Calculation and Experimental Research of Marine Centrifugal Blower

ZHAO Bo1,CHEN Peng2,DING Ke-jin2,GU Jun-wei2
(1.Navy Representative Office at No.704 Research Institute,Shanghai 200031,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

Computational fluid dynamics NUMECA is applied and the meliorated impeller of one ventilator is numerical simulated and analyzed.The comparison of the calculation results and the experimental results indicates that the calculation can supply a direction for the amelioration.The calculation results can play an important role for the design of the ventilators.

centrifugal blower; numerical simulation; energy sources saving

U66

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.004

赵博（1977-），男，硕士。研究方向：舰船机电设计研究。