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离心式锅炉引风机流体分析

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 347次

罗新文1,高会珠2,吕朋翔,顾丽春

云南农业大学机电工程学院,昆明 黑龙潭 650201[1][3]

  云南中驰汽车销售服务有限公司,昆明 白龙路 650224[2]

 

  :广泛运用于工业、农业中的离心式引风机是一种高效率的机电流体机械。由于引风机在工作环境中难免有固体颗粒进入,从而导致了颗粒对风机的摩擦、碰撞和磨损等问题,影响了叶轮机械的可靠性和使用寿命。为了提高风机效率、延长风机寿命,所以掌握风机内部气、固两相流动规律是十分必要的。目前利用数值模拟是研究叶轮内部流场的一种主要方法。本文以FLUENT中的二维湍流模型为基础,利用SIMPLEC算法,对离心式引风机进行气体单相流数值模拟。

关键字:离心式引风机;流体机械;数值模拟

Fluid Analysis of Centrifugal Induced Draft Fan for Boiler

Xinwen Luo;Huizhu Gao;Pengxiang Lv;Lichun Gu

Department of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan agriculture University, Kunming  650201

Yun Nan Zhong Chi Motor Sales and Service LTD, Kunming 650224

Abstract:

The centrifugal fan is one kind of the mechanical and electrical fluid machinery, which has been widely used in various industries and agriculture. When centrifugal fans working, Solid matter will enter a fan Which leads to the friction, collision and wear at the centrifugal fan , these actions are harmful to balance of impellers and reduce using-time of the machines. In order to improve the efficiency and prolong the life of the fan, it is necessary to command the gas and solid two phase flow pattern master in the fan. At Present, the numerical simulation is a major measure in the centrifugal fans field. In this paper, based on the two-dimensional turbulent model of FLUENT software, using the SIMPLEC algorithm, to do the numerical simulation on single phase flow of gas for centrifugal fan.

Key word: centrifugal fan ;  mechanical and electrical fluid machinery;  numerical simulation

 

1    

风机是依靠输入的机械能,提高气体压力并排送气体的机械,它是一种从动的流体机械。引风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却;锅炉和工业炉窑的通风和引风;空气调节和家用电器设备中的冷却和通风;谷物的烘干和选送;风洞风源和气垫船的充气和推进等。[2]
   Y547离心式锅炉引风机噪声低、结构简单、能够灵活调节风量、风向等特点。适用于燃用各种煤质并配有消烟除尘装置的工业锅炉。输送气体温度一般在250摄氏度以下。该风机的传动方式有C式和D式两种、带水冷整体轴承座和风量调节门。[3]

风机未来的发展将进一步提高风机的气动效率、装置效率和使用效率,以降低电能消耗;用动叶可调的轴流通风机代替大型离心通风机;降低通风机噪声;提高排烟、排尘通风机叶轮和机壳的耐磨性;实现变转速调节和自动化调节。我国对通风机的设计研发、工业部门的广泛使用已经有几十年的历史。叶轮机械被广泛应用于生产生活的多个领域,因此提高叶轮机械研究和设计水平,对国民经济的发展及节约能源将产生重要的影响。

2 离心式引风机的结构及原理

2.1离心风机的基本组成

主要由叶轮、机壳、进口集流器、导流片、联轴器、轴、电动机等部件组成。旋转叶轮的功能是使空气获得能量,蜗壳的功能是收集空气,并将空气的动压有效地转化为静压。[4]其结构如下图1


 

 

 

 

离心式引风机

Figure 1 centrifugal induced draft fan

1—吸气口;2—叶轮前盘;3—叶片;4—叶轮后盘;5—机壳;

6—排气口;7—风舌;8—支架

2.2离心风机的原理

其工作原理是叶轮旋转产生的离心力使空气获得动能, 然后经蜗壳和蜗壳出口扩散段将部分动化为静压。这样,风机出口的空气就是具有一定静压的风流。  离心风机可制成右旋和左旋两种型式.从电动机一侧正视,叶轮顺时针旋转,称为右旋转风机,叶轮逆时针旋转,称为左旋转风机。

2 引风机的结构图

Figure 2 structure of induced draft fan

3 离心风机数值模拟

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,在美国的市场占有率为60%,只要涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题,都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

3.1物理模型的建立

本文首先在AutoCAD中将涡轮画出。

3 CAD二维图

Figure 3 CAD 2 d figure

首先,在CAD中输入region命令将涡轮建立成面域,之后将文件保存为

ACIS“*.sat”格式。

其次,将文件名改为英文或数字,Gambit中不支持中文格式。然后将文件存入桌面后再将其拷贝到Gambit安装时指定的文件夹中。

最后,打开Gambit选择File——Import——ACIS之后在对话框“Browse”即可找到存入的文件,打开即可。[6]

导入的涡轮物理模型如图4,利用Gambit创建的涡轮内部剖面网格如图5

4 导入模型                图5 网格图

Figure 4 import model              Figure 5 grid chart

3.2流体仿真及分析

本文主要考虑涡轮的压力、速度、湍动能、出口截面速度分布、速度矢量分析几个方面[7]

残差图是以回归方程的自变量为横坐标,以残差为纵坐标,将每一个自变量的残差描在该平面坐标上所形成的图形。当描绘的点围绕残差等于0的直线上下随机散布,说明回归直线对原观测值的拟合情况良好。否则,说明回归直线对原观测值的拟合不理想[11]

1)对于压力对风机的影响分析。

由图6 可以看出压力、速度、湍动能都在K线附近,在迭代了164次的时候各条线开始收敛。可以看出所设计的风机性能符合要求。

残差图

Figure 6 residual plot

在烟气的大通道中,增压风机入口的风压只是一个数值,不会对主机烟风系统产生影响,但是在压力变化时,会对锅炉烟风系统产生影响增压风机入口压力值是一个增压风机自动调整的目标值,一般在负100帕左右,在运行中如果入口负压过大,会对入口烟道产生作用力,严重的可能导致烟道变形,正压过大不但可以对烟道安全产生影响,而且可能导致锅炉正压,保护动作,机组跳闸[3]。为了保证增压风机入口压力的稳定以及对烟气流量变化的很好适应,一般才将目标压力设定为这个数值负100帕左右[1]

7 压力分步云图

Figure 7 stress substep nephogram

压力分布等值线图

Figure 8 pressure distribution contour map

由图78可以看出,风机内的静压表现出非对称性。在叶轮入口处呈现负压,有利于空气的吸入。有与叶轮旋转做功,叶轮内的静压随着流动方向逐渐增大。叶轮离蜗壳较近的上部区域附近压力最大,其主要原因是蜗壳与流体相接触的所有壁面均采用无滑移固壁面条件,这样流体在蜗壳壁面附近的速度极小,根据能量守恒原理,壁面附近的静压较大[7]。静压从进口至出口逐渐变化,在蜗壳外壁面达到最大,由于出口存在流动损失而使此处的静压有所下降。

(2)速度对风机的影响分析。

速度分布云图

Figure 9 velocity distribution nephogram

10 速度分布等值线图

Figure 10 velocity distribution contour map

由速度分布图910可以看出,经叶轮做功后风机内流体沿叶轮半径方向逐渐增大,在叶轮出口处,速度有最大值。在蜗壳出口,靠近内侧速度较低。气流在进气室内的变化不大,且在进入叶轮中心后流动比较均匀,流速随着叶片的方向逐渐增大,在前盘的蜗壳扩大处有二次流产生且比较明显。同时也可以看出在后盘和蜗壳壁的间隙处、蜗舌处二次流较多较强,所以此处的噪声比大,可为噪声的分析提供理论依据。蜗壳出口的延伸部分很明显的有股较强的气流,这也是尾流—射流结构。

11  出口截面速度分布图

Figure 14 exit velocity profile

由出口截面速度图分布图11可以看出,流体在蜗壳内的速度分布也是不均匀的。而在出口截面的的速度为3.9m/s与实际的5.4m/s相接近。

12 整体速度矢量图

Figure 12 bulk velocity vector graph

 由图12可知蜗舌部的冲击现象不是特别剧烈,此区域速度大小变化不太明显,但是受旋转的后盘和静止的蜗壳壁的共同作用使这部分流体产生了扭曲,流体旋转的中心接近蜗舌处与叶轮内的流动完全不在同一轴上,这是整机模拟得到的又一重要现象[8]。在前盘和蜗壳间的流体速度变化较明显,气流在叶轮出口处突然扩压,导致气流速度降低与主流气体发生冲击扰动,从而在蜗舌处产生了二次流。在蜗壳的出口靠近内侧速度较低,流体主要沿外侧流出,出口外侧速度较大,内侧则相反。

(3) 湍动能对风机的影响分析。

湍流动能是湍流速度涨落方差与流体质量乘积的1/2。有分量湍流动能和湍流总动能之分。湍流总动能随时间的变化体现湍流动能的净收支,是衡量湍流发展或衰退的指标[5]

13 湍动能分布云图

Figure 13 cloud turbulent kinetic energy distribution

14  湍动能分布等值线图

Figure 14 turbulent kinetic energy distribution contour map

由湍动能分布图可以看出,风机内流体在经过叶轮旋转加速后湍动能增加,在叶轮出口处,湍动能相对较高,湍动能较为剧烈,随着蜗壳内流道的扩大,流体一部分机械能转化为静压,湍动能逐渐降低。而在蜗壳的出口处湍动能也比较大,可见这些地方有尾流--射流现象的出现[7]

4 

通过对型号为Y5—47引风机的仿真分析得出的结论:

风机的转速为n=2020r/min,流量=18527,压力p=2893pa,风机的出口截面的的速度为3.9m/s与实际的5.4m/s相接近;离心风机的是一种变流量恒压装置,当转速一定时,离心风机的压力-量理论曲线应是一条直线。由于内部损失,实际特性曲线是弯曲的。离心风机中所产生的压力受到进气温度或密度变化的较大影响;引风机是利用空气流通的原理,在室外吸气室内气体就可以顺着烟道快速到达烟囱外,炉灶的火也就会旺起来。排出炉膛内产生的烟气,并使炉膛内维持一定的负压,克服尾部烟道内的压力损失(包括除尘器);由于整机的非轴对称性而产生了流体区域的压强和流速的非轴对称性。后盘与蜗壳间隙中的流体流动的中心偏向蜗舌处,叶轮区域内部压力场和流场的中心不是沿中心轴方向,而是偏离中心轴;叶片和前盘间,蜗壳出口处存在尾流—射流现象;靠近叶轮前盘的叶片处所受全压偏高于叶根处的压力。工作面上的压力大于非工作面叶片上的压力,由于压力差的产生,从而使流体从高压向低压流动产生了轴向的二次流现象。

参考文献

 

[1] 魏新利,付卫东,张军.泵与风机节能技术[M].化学工业出版社.2010.9.

[2] 蓸晋利.风机串级调速的节能分析[M].山西能源与节能.2003

[3] 陆肇达.泵与风机系统能量利用性的评价与设计运行优化[M].节能技术.2007.

[4] 张学学,李桂馥,史琳.热工基础[M].高等教育出版社2006.5

[5] 睦 曦. 离心式通风机内部气固两相流场的数值模拟[D].浙江大学.2006.5.

[6] 李鹏飞,徐敏义,王飞飞. 精通CFD工程仿真与案例实战[M].人民邮电出版社.2011.10.

[7] 周俊杰,徐国权,张华俊.FLUENT工程技术与实例分析[M].中国水利水电出版社.2010

[8] 张涛,孟宪举,李健. 离心式通风机的数值模拟[D]. 河北理工大学.2011.

作者简介:  罗新文(1963--),男,云南新平人,大学,实验师,主要从事机械设计制造及其自动化研究.

            第二作者:高会珠,女,云南昆明人,本科,主要从事车辆工程研究。 

              第三作者: 呂朋翔(1987--),男,山东烟台人,讲师,硕士,主要从事农业机械设计制造  研究.

 

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