大間隙無葉風(fēng)扇設(shè)計與數(shù)值研究

    由第3章可知風(fēng)機(jī)降轉(zhuǎn)速可以達(dá)到降噪的效果。為了使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,一種方法是利用第3章設(shè)置兩級風(fēng)機(jī)的做法,通過降低單級風(fēng)機(jī)負(fù)荷來達(dá)到降轉(zhuǎn)速的目的,這是一種治標(biāo)的方法;要想從根本上解決問題,則需要降低無葉風(fēng)扇的出風(fēng)阻力,使風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下即可達(dá)到所需全壓。由圖2.11知,無葉風(fēng)扇出風(fēng)口是主要的阻力源,降低無葉風(fēng)扇出風(fēng)口阻力最簡單的方法就是增大出風(fēng)口間隙。因此,本章旨在設(shè)計一種區(qū)別于第4章的大間隙出風(fēng)無葉風(fēng)扇。

5.1大間隙無葉風(fēng)扇流場分析

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

設(shè)定速度進(jìn)口,進(jìn)口流量固定為0.0475 m3/s,圖5.2為收縮角0=25°的無葉風(fēng)扇模型Y=0截面速度云圖,由圖可以看出大間隙無葉風(fēng)扇前方出風(fēng)沒有形成穩(wěn)定的主風(fēng)區(qū),并且出風(fēng)明顯上偏。同時,由于出風(fēng)發(fā)散,出風(fēng)口射出的氣體對無葉風(fēng)扇周圍空氣帶動很小,計算結(jié)果表明4m處總風(fēng)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(fēng)區(qū)沒有形成理想的圓形狀,而是呈條形狀,這是因為無葉風(fēng)扇出風(fēng)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(wěn)定,Im處最大風(fēng)速只有2.2m/s,不滿足設(shè)計要求。由此可見在大間隙下如果不加其他設(shè)置,無葉風(fēng)扇將無法正常工作。圖5.4為無葉風(fēng)扇上下兩側(cè)出風(fēng)口流線圖,由圖可以看出風(fēng)扇出風(fēng)口上側(cè)射流氣體緊貼收縮壁面流動,而下側(cè)因為緊鄰無葉風(fēng)扇入口,沖擊損失大,出風(fēng)口收縮區(qū)速度大,但氣流主要向兩側(cè)分散,下側(cè)出風(fēng)口出風(fēng)量較小間隙時明顯減少,分散的氣流向上流動又導(dǎo)致上側(cè)出風(fēng)增大,從而造成上下出風(fēng)明顯不對稱。另外由于無葉風(fēng)扇腔體內(nèi)的氣體除了向外噴射外,還有內(nèi)部的環(huán)形流動,是明顯的三維流動,在大間隙下不容易形成穩(wěn)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(wěn)定。

5.2格柵對大間隙無葉風(fēng)扇性能的影響

為了增強(qiáng)大間隙無葉風(fēng)扇出口的射流效果,并阻止出風(fēng)口收縮區(qū)內(nèi)氣體的環(huán)向流動,本文采用設(shè)置出口格柵的方法對大間隙無葉風(fēng)扇模型進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)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(fēng)扇出風(fēng)效果的影響,本章設(shè)計了 4種葉柵密度,設(shè)定葉柵間夾角分別為15°、12°、圖5.7為無葉風(fēng)扇壓阻和格柵密度的關(guān)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(shù)量增多,阻力呈現(xiàn)下降趨穩(wěn)的趨勢,這主要是格

柵增加了射流的穩(wěn)定性,減小了無葉風(fēng)扇出口區(qū)域紊流損失,這一點也可以從后面設(shè)置格柵后的無葉風(fēng)扇速度云圖上可以看出。圖5.8為四種模型出風(fēng)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(fēng)機(jī)廠是由于增加格柵后,無葉風(fēng)扇出口收縮區(qū)的環(huán)向流動被限制,無葉風(fēng)扇出口速度沿環(huán)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(fēng)扇下側(cè)出風(fēng)明顯增加,上下出風(fēng)均勻,出風(fēng)效果有了顯著改善,在風(fēng)扇前方形成了穩(wěn)定的速度場,4m處總風(fēng)量為1.11 111、,較無格柵時風(fēng)量增大34.6%。

鑒于格柵的優(yōu)勢,本章對第2章的小間隙無葉風(fēng)扇進(jìn)行了改進(jìn),同樣在出口設(shè)置格柵,格柵夾角為15°,圖5.1】為改進(jìn)后的無葉風(fēng)扇前Im處截面速度云圖,對比圖4.8,設(shè)置格柵后的小間隙無葉風(fēng)扇Im前出風(fēng)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(fēng)扇出風(fēng)更加均勻。表5.1為有無格柵小間隙無葉風(fēng)扇性能數(shù)據(jù)對比,由表可以看出,有格柵時,無葉風(fēng)扇前Im處最大風(fēng)速大幅增加,而截面風(fēng)量卻明顯減小,這說明格柵的增加使無葉風(fēng)扇出風(fēng)更集中,對無葉風(fēng)扇近場流體帶動作用減弱;而兩種模型在X=4m處性能參數(shù)則接近,說明有格柵時主氣流對遠(yuǎn)場的空氣帶動較無格柵時大。

5.3收縮角對大間隙無葉風(fēng)扇性能的影響

為了研究大間隙下收縮角對無葉風(fēng)扇出風(fēng)效果的影響,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,同時保持格柵夾角9°,本節(jié)又設(shè)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(fēng)扇上側(cè)出風(fēng)強(qiáng),收縮角大于20°時無葉風(fēng)扇下側(cè)出風(fēng)強(qiáng),收縮角等于20°時,無葉風(fēng)扇上下出風(fēng)對稱。收縮角對無葉風(fēng)扇出風(fēng)口速度分布影響較大,事實上,小間隙無葉風(fēng)扇也存在同樣的問題,只是沒有大間隙無葉風(fēng)扇效果明顯。

圖5.13為無葉風(fēng)扇Im前最大速度隨收縮角的變化圖,總體上看無葉風(fēng)扇收縮角大時聚風(fēng)效果好,Im處最大速度較收縮角小時大,但風(fēng)向偏離正中方向?qū)绊憻o葉風(fēng)扇的吱風(fēng)性能,因此在確定角度時還應(yīng)考慮收縮角對出風(fēng)方向的影響,因此本節(jié)選擇收縮角為20°的無葉風(fēng)扇模型為最終大間隙無葉風(fēng)扇模型。

 

圖5.14為最終模型在截面X=l,2, 3,4m處主風(fēng)區(qū)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(dá)到很好的受風(fēng)效果。圖5.15為最大風(fēng)速和主風(fēng)區(qū)面積隨截面距風(fēng)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(dǎo)致速度減小幅度較大;另外由計算結(jié)果可知無葉風(fēng)扇前1 m處最大風(fēng)速為3.53m/s, 4 m處最大風(fēng)速為0.87m/s,滿足設(shè)計要求。

圖5.16為最終模型風(fēng)扇前1 m和4 m處最大風(fēng)速隨風(fēng)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(fēng)速線性增加.當(dāng)進(jìn)口流量為0.0475 m3/s時,1 m處最大風(fēng)速vi為3.53 ni/s,4 m處最大風(fēng)速、?為0.87m/s,滿足性能要求,無葉風(fēng)扇壓阻為191 Pa,以此作為其內(nèi)置風(fēng)機(jī)的設(shè)計依據(jù)。