葉片加長(zhǎng)是工程中提高風(fēng)機(jī)出力的常用方法之一。 為研究風(fēng)機(jī)葉片加長(zhǎng)后的內(nèi)流特征，以 G4–73 型離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用 FLUENT 軟件分別對(duì)葉片加長(zhǎng)前、后的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維定常數(shù)值模擬， 分析流動(dòng)變化對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響規(guī)律。 在此基礎(chǔ)上， 對(duì)葉輪葉片加長(zhǎng)前、 后的G4–73№.8D 離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能和噪聲實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)在葉輪葉片加長(zhǎng)后運(yùn)行工況點(diǎn)的變化規(guī)律及無(wú)因次性能曲線。 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與切割定律計(jì)算結(jié)果的比較表明， 當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后且葉輪出口寬度不變時(shí)， 按拋物線形切割定律計(jì)算的結(jié)果在大流量區(qū)誤差較小。 噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 葉輪葉片加長(zhǎng)后，葉輪與蝸舌間距離減少，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)噪聲升高，同時(shí)蝸殼內(nèi)流動(dòng)惡化， 也使渦流噪聲加大。 文中所得研究結(jié)果可為工程實(shí)際中風(fēng)機(jī)的葉片加長(zhǎng)改造提供參考依據(jù)。
    關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機(jī)；葉片加長(zhǎng)；切割定律；內(nèi)流特征；旋轉(zhuǎn)噪聲；渦流噪聲

引言

    離心風(fēng)機(jī)是化工、冶金、電力等行業(yè)用于輸送氣體的通用設(shè)備。中小型火力發(fā)電廠煙風(fēng)系統(tǒng)多配備離心風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力源， 如 G4–73 型離心風(fēng)機(jī)就作為鍋爐送、引風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于 200 和300 MW 火力發(fā)電機(jī)組。出于配合企業(yè)擴(kuò)容改造或是設(shè)計(jì)時(shí)選型不當(dāng)?shù)榷喾N原因，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造來(lái)提高風(fēng)機(jī)的出力。提高風(fēng)機(jī)出力的方法有增加葉片數(shù)、加大葉輪寬度、改變?nèi)~片進(jìn)出口角度和加大葉輪直徑等，其中一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的手段就是將風(fēng)機(jī)葉片加長(zhǎng)，同時(shí)加大葉輪直徑。為確定風(fēng)機(jī)葉片的加長(zhǎng)量，可參考的理論是風(fēng)機(jī)的切割定律 [1-2] 。 由風(fēng)機(jī)的相似定律， 根據(jù)風(fēng)機(jī)的型式特點(diǎn)可推出如下 2 種形式的切割定律：1）對(duì)于葉輪前盤(pán)為錐形或弧形的離心式通風(fēng)機(jī)，認(rèn)為葉輪切割或加長(zhǎng)前、后的出口過(guò)流面積不變，因此可推出：

    按式(4)、 (5)計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)葉片切割或加長(zhǎng)前后的對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)在全壓–流量曲線圖中位于一條直線上，所以式(4)~(6)也稱(chēng)為直線型切割定律。目前人們普遍認(rèn)為上述公式計(jì)算精度不高 [2] ，而且，上述公式描述的是風(fēng)機(jī)葉輪葉片切割或加長(zhǎng)前后對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)參數(shù)的關(guān)系，而非運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)的關(guān)系，因此，并不能根據(jù)實(shí)際需要直接用于計(jì)算切割或加長(zhǎng)量。更為重要的是，涉及切割定律應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的文獻(xiàn)中絕大多數(shù)介紹的都是葉輪切割的情形 [3-6] ，涉及葉片加長(zhǎng)的工程實(shí)例 [7-9] 也僅介紹了改造前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并未給出風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后性能參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)葉輪葉片加長(zhǎng)后的內(nèi)流特征也尚未有研究報(bào)道。
    本文擬通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片加長(zhǎng)前后的內(nèi)流特征進(jìn)行數(shù)值模擬，探討風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)對(duì)流場(chǎng)及性能參數(shù)的影響機(jī)制，石家莊市風(fēng)機(jī)廠借助葉輪葉片加長(zhǎng)前后的離心風(fēng)機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)，獲取加長(zhǎng)量與風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)性能參數(shù)的關(guān)系。考慮到生產(chǎn)中對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的限制越來(lái)越高，而風(fēng)機(jī)葉輪葉片加長(zhǎng)后勢(shì)必引起噪聲水平的變化，因而在風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的同時(shí)還進(jìn)行了風(fēng)機(jī)噪聲的測(cè)量。
1 數(shù)值模擬
1.1 計(jì)算模型的建立
    以 G4–73№.8 離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，該風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。本文采用的葉片加長(zhǎng)方式為在流道型線不變、進(jìn)口各幾何尺寸不變的情況下，沿每個(gè)葉片工作面的出口邊切線方向，焊接一定長(zhǎng)度的單板葉片，并保證接口處平滑過(guò)渡，如圖 2 所示。同時(shí)將葉輪的后盤(pán)與前盤(pán)沿圓周方向各焊接上一個(gè)圓環(huán)，使其直徑與加長(zhǎng)葉片后的葉輪外徑平齊。

    考慮到 G4–73№.8D 風(fēng)機(jī)的葉輪和蝸舌之間只有 100 mm 的距離，為避免風(fēng)機(jī)蝸殼發(fā)生變動(dòng)，所以葉片加長(zhǎng)導(dǎo)致的葉輪直徑增加量要保持在100 mm 之內(nèi)。計(jì)算時(shí)采用的原始葉輪外徑為800 mm，葉片加長(zhǎng)后的葉輪外徑為 880 mm。
    按 G4–73№.8 風(fēng)機(jī)的真實(shí)尺寸建立風(fēng)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型，包括集流器、葉輪和蝸殼 3 個(gè)區(qū)域。由于考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，本文的通風(fēng)機(jī)模型采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，即在流場(chǎng)梯度變化比較快的關(guān)鍵區(qū)域布置較密的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在流場(chǎng)梯度變化比較緩慢的區(qū)域布置稀疏的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以減少計(jì)算量和計(jì)算成本。在滿足收斂的前提下，經(jīng)多次調(diào)試，并綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度(將模擬結(jié)果與以前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，相對(duì)誤差小于2%)，本文的模擬計(jì)算中網(wǎng)格總數(shù)約為 120 萬(wàn)個(gè)。