大間隙無葉風扇設計與數值研究

    由第3章可知風機降轉速可以達到降噪的效果。為了使風機轉速下降,一種方法是利用第3章設置兩級風機的做法,通過降低單級風機負荷來達到降轉速的目的,這是一種治標的方法;要想從根本上解決問題,則需要降低無葉風扇的出風阻力,使風機在低轉速下即可達到所需全壓。由圖2.11知,無葉風扇出風口是主要的阻力源,降低無葉風扇出風口阻力最簡單的方法就是增大出風口間隙。因此,本章旨在設計一種區別于第4章的大間隙出風無葉風扇。

5.1大間隙無葉風扇流場分析

現有專利(包括第4章設計的模型)中無葉風扇的出風口間隙均較小,專利[6]出風口間隙被選擇在1 mm到5 mm的范圍內,在具體實施中,間隙設定為1.3 nim,這將會帶來較大的壓阻。本章旨在設計一種大間隙出風的無葉成扇,內表面依然采用收縮型,圖5.1為大間隙無葉風扇結構示意圖,其出風口處直徑為300mm,出風口間隙為5.5 mm,無葉風扇寬度為95 mm。性能指標依然為距風扇出風口前1 m處最大風速大于2.8 m/s, 4 m處最大風速大于0.8 ni/s。

設定速度進口,進口流量固定為0.0475 m3/s,圖5.2為收縮角0=25°的無葉風扇模型Y=0截面速度云圖,由圖可以看出大間隙無葉風扇前方出風沒有形成穩定的主風區,并且出風明顯上偏。同時,由于出風發散,出風口射出的氣體對無葉風扇周圍空氣帶動很小,計算結果表明4m處總風量僅為0.827 mVs?圖5.3為X=lm截面處速度云圖,由圖可以看出速度分布明顯不均,主風區沒有形成理想的圓形狀,而是呈條形狀,這是因為無葉風扇出風口上方射流速度較下方大很多,這由圖5.2可以明顯看出,另外射流氣體對周圍空氣帶動作用有限,且流動不穩定,Im處最大風速只有2.2m/s,不滿足設計要求。由此可見在大間隙下如果不加其他設置,無葉風扇將無法正常工作。圖5.4為無葉風扇上下兩側出風口流線圖,由圖可以看出風扇出風口上側射流氣體緊貼收縮壁面流動,而下側因為緊鄰無葉風扇入口,沖擊損失大,出風口收縮區速度大,但氣流主要向兩側分散,下側出風口出風量較小間隙時明顯減少,分散的氣流向上流動又導致上側出風增大,從而造成上下出風明顯不對稱。另外由于無葉風扇腔體內的氣體除了向外噴射外,還有內部的環形流動,是明顯的三維流動,在大間隙下不容易形成穩定的低瑞流噴射效果,圖5.5為Z=0截面的速度云圖,由圖可以看出流場很不穩定。

5.2格柵對大間隙無葉風扇性能的影響

為了增強大間隙無葉風扇出口的射流效果,并阻止出風口收縮區內氣體的環向流動,本文采用設置出口格柵的方法對大間隙無葉風扇模型進行改進,改進模型如圖5.6,格柵寬度為1.5mni。同時為了研究格柵分布密度對無葉風扇出風效果的影響,本章設計了 4種葉柵密度,設定葉柵間夾角分別為15°、12°、圖5.7為無葉風扇壓阻和格柵密度的關系圖,由圖可以看出,增加格柵后阻力有所提高,但隨著格柵數量增多,阻力呈現下降趨穩的趨勢,這主要是格

柵增加了射流的穩定性,減小了無葉風扇出口區域紊流損失,這一點也可以從后面設置格柵后的無葉風扇速度云圖上可以看出。圖5.8為四種模型出風口前Im處截面的速度云圖,由圖可以看出,增加格柵后,Im處截面速度分布有了明顯改善,并且隨著格柵密度的增加,速度 _分布變得愈加均勻,這主要石家莊市風機廠是由于增加格柵后,無葉風扇出口收縮區的環向流動被限制,無葉風扇出口速度沿環向分布更加均勻,圖5/)和圖5.10為格柵夾角為9°時Y=()和Z=0處截面速度云圖,與圖5.2和圖5.5對比可以看出,無葉風扇下側出風明顯增加,上下出風均勻,出風效果有了顯著改善,在風扇前方形成了穩定的速度場,4m處總風量為1.11 111、,較無格柵時風量增大34.6%。

鑒于格柵的優勢,本章對第2章的小間隙無葉風扇進行了改進,同樣在出口設置格柵,格柵夾角為15°,圖5.1】為改進后的無葉風扇前Im處截面速度云圖,對比圖4.8,設置格柵后的小間隙無葉風扇Im前出風效果有了很大改善,因此在小間隙下可以釆用少量的格柵使無葉風扇出風更加均勻。表5.1為有無格柵小間隙無葉風扇性能數據對比,由表可以看出,有格柵時,無葉風扇前Im處最大風速大幅增加,而截面風量卻明顯減小,這說明格柵的增加使無葉風扇出風更集中,對無葉風扇近場流體帶動作用減弱;而兩種模型在X=4m處性能參數則接近,說明有格柵時主氣流對遠場的空氣帶動較無格柵時大。

5.3收縮角對大間隙無葉風扇性能的影響

為了研究大間隙下收縮角對無葉風扇出風效果的影響,在其他結構參數不變,同時保持格柵夾角9°,本節又設計了 6種角度,分別為5°、10°、15°、20°、30。、 35。。圖5.12為不同收縮角下Y=0截面速度云圖,由圖可以看出,收縮角小于20°時,無葉風扇上側出風強,收縮角大于20°時無葉風扇下側出風強,收縮角等于20°時,無葉風扇上下出風對稱。收縮角對無葉風扇出風口速度分布影響較大,事實上,小間隙無葉風扇也存在同樣的問題,只是沒有大間隙無葉風扇效果明顯。

圖5.13為無葉風扇Im前最大速度隨收縮角的變化圖,總體上看無葉風扇收縮角大時聚風效果好,Im處最大速度較收縮角小時大,但風向偏離正中方向將會影響無葉風扇的吱風性能,因此在確定角度時還應考慮收縮角對出風方向的影響,因此本節選擇收縮角為20°的無葉風扇模型為最終大間隙無葉風扇模型。

 

圖5.14為最終模型在截面X=l,2, 3,4m處主風區速度云圖,由圖可以看出,各截面速度分布都很均勻,ic解密可以達到很好的受風效果。圖5.15為最大風速和主風區面積隨截面距風扇間距X的變化圖,由圖可以看出隨X的增大,各截面最大速度逐漸減小,并且X小時,截面速度梯度較大,氣流枯性較大,導致速度減小幅度較大;另外由計算結果可知無葉風扇前1 m處最大風速為3.53m/s, 4 m處最大風速為0.87m/s,滿足設計要求。

圖5.16為最終模型風扇前1 m和4 m處最大風速隨風扇入口流量的變化情況,由圖可以看出,隨流量增大,Im處和4 m處最大風速線性增加.當進口流量為0.0475 m3/s時,1 m處最大風速vi為3.53 ni/s,4 m處最大風速、?為0.87m/s,滿足性能要求,無葉風扇壓阻為191 Pa,以此作為其內置風機的設計依據。