MVR高压离心风机性能分析与优化∗

刘燈 李晶 凌祥

（南京工业大学机械与动力工程学院）

MVR高压离心风机性能分析与优化∗

刘燈 李晶 凌祥

（南京工业大学机械与动力工程学院）

以MVR系统常用的高压离心风机为研究对象，利用数值模拟技术对风机流场进行三维不可压缩定常流动计算，重点分析高压离心风机内部流场的分布规律，然后以风机性能试验验证数值计算方法的可靠性。在此基础上，研究叶片出口安装角度对风机气动性能的影响。数值结果表明，把叶片出口安装角由41°改为44°可以提升风机在大流量工况下的全压和全压效率。

机械蒸汽再压缩；高压离心风机；数值模拟；流场分析；结构优化

0 引言

机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompr-ession，MVR）技术利用机械方法对蒸发器产生的二次蒸汽做功，使其压力、温度提高，再返回蒸发器作为热源使用[1]。高压离心风机是MVR系统常用的蒸汽压缩设备之一，是提高二次蒸汽品位的核心装置，其性能对MVR系统至关重要。

数值模拟广泛应用于离心风机的流场分析与结构优化[2-5]。周水清等[6]探讨了集流器偏心安装对前弯离心风机性能的影响。雷乐[7]通过改变蜗壳宽度和蜗舌倾角来改善风机气动性能，降低噪声。刘沪红[8]对采用不同叶片出口安装角的离心风机进行了试验研究。李谦益等[9]利用噪声试验及数值模拟方法，研究了高速离心风机前缘倾斜叶片扩压器的降噪机理。刘小民等[10]对不同流量工况下多翼离心风机的压力、效率、噪声等性能参数进行了数值模拟研究。

本文首先利用CFD软件对某型应用于MVR系统的高压离心风机进行整机数值模拟，研究其内部流场的分布规律。然后将数值计算结果与风机性能试验结果进行比较，验证数值计算方法的准确性。再改变叶片出口安装角，通过分析比较改型前后风机全压、全压效率和内部流场分布情况，达到优化原型风机气动性能的目的，为高性能高压离心风机的设计改型提供了有益探索。

1 研究模型及数值计算方法

1.1 高压离心风机模型

本文分析的原型对象是某型MVR高压离心风机，其主要几何参数如表1所示。利用Solidworks软件对风机进行三维建模，其结构如图1所示。

1.2 网格划分

将风机内部流动区域分为集流器流道、叶轮流道和蜗壳流道三个部分，利用ICEM-CFD软件分别划分三部分的网格，其中集流器流道及叶轮流道采用六面体结构化网格，蜗壳流道采用四面体非结构化网格，对近壁面网格进行加密，再将各部分网格进行装配。经网格独立性验证，三部分网格数目依次约为57万、137万、116万，整机网格数约为310万，图2为风机网格示意图。

表1 高压离心风机主要性能参数Tab.1 The performance parameters of high pressure centrifugal fan

图1 原型机结构示意图Fig.1 The fan model structure

图2 风机整机网格Fig.2 The mesh of fan

1.3 计算方法

利用Ansys Fluent软件对风机流场进行三维不可压缩定常流动计算，采用RNG k-ε湍流模型求解N-S方程，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，压力项采用标准格式离散，动量方程采用二阶迎风格式离散，湍流动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式离散，近壁面采用标准壁面函数。

1.4 边界条件

集流器进口采用速度进口，蜗壳出口采用自由流出口，依次计算进口流速从5m/s到20m/s的7个工况点，相邻两工况点之间流速相差2.5m/s，其对应进口流量范围为952～3 810m3/h。集流器流道和蜗壳流道为静止区域，叶轮流道为旋转区域，动静区域之间采用多重参考坐标系（Multiple Reference Frame）耦合，所有壁面均满足无滑移条件。环境压力为标准大气压p=101325Pa，空气密度ρ=1.225kg/m3，计算中不考虑重力的影响。

1.5 收敛准则

定常计算的所有残差小于10-3，风机进出口质量流量差小于0.1%，效率变化小于0.01%时，认为计算收敛[11]。

2 试验对比

试验依据GB/T 1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》进行，采用带有进口侧试验管道的C型装置，用90°弧形进口喷嘴测定流量。图3为风机性能试验装置示意图。

图3 风机性能试验装置图Fig.3 The fan performance test rig

图4、图5分别为原型风机全压性能曲线和全压效率曲线，比较可知，试验结果与数值计算结果的走势基本一致，数值计算得到的全压及全压效率与实测值的误差均在10%以内，说明本文所采用的数值计算方法是有效并可靠的。整体上计算值略高于试验值，这主要是由于建模时对风机实际结构进行了少量简化，导致摩擦和泄漏损失与实际存在一定偏差造成的。

图4 原型风机全压性能曲线Fig.4 The fan total pressure performance curve

图5 原型风机全压效率曲线Fig.5 The fan total efficiency curve

3 计算结果及分析

为研究高压离心风机内部流动特性，对风机在进口流速为15m/s（即进口流量为2 857m3/h）的工况下的数值计算结果进行分析。

3.1 压力分布

叶轮回转面压力分布如图6所示，分析可知，在径向方向上，静压从叶轮进口到蜗壳壁面逐渐增大，动压和总压从叶片前缘到叶片后缘逐渐升高，动压于叶片吸力面末端达到最大值。在叶轮出口附近静压骤然增加，而动压和总压有较大幅度的降低，这是由于此处流通截面发生突变，气体流速减小，部分动压能转变为静压能导致的。在周向方向上，从吸力面到压力面，动压减小，静压增大。此外，靠近蜗壳出口一侧的叶片吸力面末端动压要高于其他叶片相同位置的动压，压力分布显示出较明显的非周期性。

图6 叶轮回转面压力分布云图Fig.6 The pressure distribution of impeller rotative surface

图7为X=0mm子午面压力分布云图，可以看出，在轴向方向上，集流器流道内，风机各压力都较小且压力梯度不大。气体进入叶轮流道后，叶轮做功使风机各压力大幅提升，但压力分布沿轴向变化不明显。在集流器出口与叶轮前盘之间的径向间隙内，静压较小而动压很大，这是由于间隙内气体局部速度过快引起的。在叶轮后盘与蜗壳后盖之间的区域内，流体静压明显高于动压，说明这部分气体的流速较低，是风机内的低压区之一。蜗壳流道内，气体静压的径向压力梯度较大，静压在蜗壳壁面附近达到最大值。

图7X=0mm子午面压力分布云图Fig.7 The pressure distribution in meridion plane withX=0mm

3.2 速度矢量分布

图8为X=0mm子午面速度矢量分布图。渐缩的集流器结构使气体在其壁面处的流速沿轴向逐渐增大。气体进入叶轮流道，流动方向从轴向改为径向，径向速度提升，在此过程中，部分流体直接作用在叶轮后盘上，在叶轮后盘中心区域形成一块低速区。气体流入蜗壳流道后，由于流动空间突然增大，在蜗壳流道内产生了多处明显的、大尺度的二次涡流，造成涡流损失，气体流速也逐渐减小。此外，蜗壳流道中的部分低速气体经叶轮前盘与集流器之间的径向间隙重新回流到了叶轮流道内部，这是因为间隙两侧的气体压力不同，在压差的推动下，高压端气体向低压端流动，在前盘区域造成了气体的回流，这是产生容积损失的一个重要原因。

图8X=0mm子午面速度矢量分布图Fig.8 The velocity vector distribution in meridion plane withX=0mm

叶轮回转面速度矢量分布如图9所示，由图可知，经叶轮做功的气体径向速度大幅提升，并于叶轮出口达到最大值。气体进入蜗壳流道后，在离心力的作用下，仍以轴向运动的趋势沿着蜗壳壁面向蜗壳出口移动，但流速逐渐减小。蜗舌起着导向分流的作用，一部分气体沿着蜗舌上壁面流向蜗壳出口，另一部分气体沿着蜗舌下壁面重新进入蜗壳流道腹部。从整体上看，虽然叶轮结构具有周期性，但蜗壳结构并不规则，这导致流场的速度矢量图呈现出明显的不对称分布。

图9 回转面速度矢量分布图Fig.9 The velocity vector distribution in revolution surface

4 叶片出口安装角对风机性能的影响

叶轮是离心风机的核心气动部件，其结构参数的微小改动都会引起风机性能的变化。为研究叶片安装角对风机性能的影响，在保持风机其他参数不变的前提下，以原型叶片压力面所在曲面与叶轮出口圆周的交点为圆心，将出口安装角为41°的原型叶片进行旋转，派生出叶片出口安装角分别为38°和44°的两个叶轮，如图10所示。利用相同的数值模型对改型风机进行数值计算，流速及流量控制与1.4节相同，对计算结果进行分析。

图10 不同安装角叶轮结构示意图Fig.10 The impeller structure with different installation angle

图11为不同叶片出口安装角下风机全压性能曲线。从图中可以看出，与原型风机相比，38°出口角的叶轮会导致风机全压的降低。44°出口角的叶轮在小流量工况的风机全压与原型风机差别不大，但随着流量的增加，该型叶轮可以较大程度提升风机全压。

图11 不同叶片出口安装角下风机全压性能曲线Fig.11 The fan total pressure performance curve with different blade outlet installation angle

图12为风机全压效率曲线，可以看出，叶片出口安装角的改变并没有影响风机的最佳工况区域，三种叶片出口安装角的风机最佳流量工况都在2 200～2 900m3/h之间。采用38°叶片出口安装角的改型风机的全压效率在小流量工况与原型风机相近，在中大流量工况的全压效率略低于原型风机。采用44°叶片出口安装角的改型风机的全压效率在全流量工况都略高于原型风机。

图12 不同叶片出口安装角下风机全压效率曲线Fig.12 The fan total pressure efficiency curve with different blade outlet installation angle

原型叶轮全压分布如图13所示，图14是叶片出口安装角为44°的叶轮全压分布云图。对比分析可知，由于气流进入叶轮流道后，流动方向发生90°的偏转，与叶片前缘发生冲撞，导致两种叶轮的叶片前缘区域都存在低压区，这些低压区在各叶片间流道内呈不对称分布，但44°出口角叶轮的前缘低压区面积要小于原型叶轮。此外，将叶片出口安装角改为44°后，叶轮的出口全压得到显著提升。

图13 原型叶轮全压分布云图Fig.13 The total pressure distribution of original impeller

以上分析说明，针对原型风机而言，把叶片出口安装角改为44°可以明显提升风机在大流量工况下的全压和全流量工况下的全压效率，并改善叶轮的压力分布情况。

5 结论

本文采用数值模拟的方法，研究了用于MVR系统的某型高压离心风机的内部流动特性，以叶片出口安装角为改型参数对原型风机进行性能优化，得出以下结论：

1）高压离心风机内部流动极其复杂，不具有对称性或周期性。风机流道内存在多处涡流，集流器与叶轮前盘的径向间隙导致后者附近产生较强的回流，造成流动损失。

2）其他结构参数不变的情况下，采用44°叶片出口安装角的改型风机在全压和全压效率上都要优于原型风机。

[1]王占军，张华兰，曹志庆，等.机械蒸汽再压缩在水平管喷淋降膜蒸发装置的应用[J].能源化工，2015（1）:51-54.

[2]陈聪聪，耿文倩，李景银，等.抽油烟机内多翼离心风机蜗壳结构的数值优化[J].风机技术，2016（4）:45-51.

[3]李谦益，杨睿，张伟，等.高速离心风机前缘倾斜叶片扩压器的降噪机理研究[J].风机技术，2017（3）:54-60.

[4]吕玉坤，张波，程博.基于CFD的离心风机叶轮中心位置优化研究[J].风机技术，2015（4）:38-42.

[5]李辉，王军，周水清，等.叶片数对多翼离心风机性能影响的分析[J].风机技术，2017，59（2）:19-22,47.

[6]周水清，李辉，王军，等.集流器偏心对前弯离心风机气动性能影响分析[J].工程热物理学报，2015，36（7）:1 466-1 470.

[7]雷乐，谭俊飞，李景银.改变蜗壳结构对离心风机性能及噪音的影响[J].工程热物理学报，2015，36（12）:2 604-2 607.

[8]刘沪红.离心通风机叶轮改变叶片出口安装角的性能试验研究[J].风机技术，2015（3）:28-30.

[9]李谦益，杨睿，张伟，等.高速离心风机前缘倾斜叶片扩压器的降噪机理研究[J].风机技术，2017（3）:54-60.

[10]刘小民，赵嘉，李典.多翼离心风机性能的数值计算和实验测量[J].风机技术，2015（3）:11-17.

[11]赵会晶，王志恒，席光.跨音速离心叶轮叶尖区域流动的数值分析[J].工程热物理学报，2017，38（3）:515-521.

Performance Analysis and Optimization on MVR High Pressure Centrifugal Fan

Deng Liu Jing LiXiang Ling
（School of Mechanical and Power Engineering,Nanjing Tech University）

To study the high-pressure centrifugal fan used in MVR（Mechanical Vapor Recompression）system,the threedimensional incompressible unsteady flow numerical simulation is conducted to analyze its internal flow field.The selected models are validated by comparing the numerical and experimental results.Based on the simulation callulation method,the effect of blade outlet installation angle on the aerodynamic performance of fan is studied.The numerical results show that changing the angle from 41 to 44 degrees,the total pressure and total pressure efficiency of the fan under large flow rate conditions can be improved.

MVR，high pressure centrifugal fan，numerical simulation，flow field rate analysis，structural optimization

江苏省高等学校自然科学研究重大项目（No.13KJA480001）

2017-10-12 江苏 南京 211816

TH432；TK05

1006-8155-(2017)06-0032-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.06.0005