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除尘降温多翼离心通风机内部流场数值模拟冷却塔轴流风机的维护与
摘要： 运用计算流体力学软件 Fluent 对多翼离心通风机进行了全三维的内部流场数值模拟。计算采用了 SIMPLEC 算法和标准的 k －ε湍流模型，并对数值模拟的结果进行了分析。计算结果与试验结果的对比表明数值模拟具有较好的准确性和可信度，同时，数值模拟结果有助于了解多翼离心通风机内部流动规律，可为多翼离心通风机的改进设计提供参考。
关键词： 多翼离心通风机；内部流场；数值模拟
中图分类号： TH43 文献标识码： B
文章编号： 1006-8155 （ 2008 ） 03-0013-04
Numerical Simulation of Internal Flow Field in Multi-blade Centrifugal Fans
Abstract: The software of CFD Fluent is applied in 3-D numerical simulation of internal flow field in multi-blade fans. The method of SIMPLEC and standard k - e turbulent model are applied in the computation and the numerical simulation results are analyzed. The comparison between numerical simulation results and experimental results demonstrates the better accuracy and reliability of the numerical simulation. In the meantime, the numerical simulation results are very useful for understanding the internal flow pattern in multi-blade centrifugal fans. Besides, it can also give references for improving design of multi-blade centrifugal fans.
Key words : multi-blade centrifugal fan; internal flow field; numerical simulation
0 引言
近年来，随着计算机软硬件水平和计算流体力学（ CFD ）技术的飞速发展，更多的湍流模型和计算方法应用于风机内部的三维流动计算中，使人们对风机内部流场有了更深入地了解；而大型商用 CFD 软件的出现给风机的数值模拟又带来了更大的便利，使用该软件对风机内部流场进行全三维的数值模拟，其结果更加真实可信。
多翼离心通风机以其体积小、结构紧凑和低噪声等优点在国民经济的各个领域都有着广泛的应用，并在很多特殊使用场合下被公认为是一种最理想的风源设备。为此，本文针对某型吸油烟机（吸油烟机的主体部件就是多翼离心通风机）采用 Fluent 软件进行全三维的数值模拟，并对模拟计算结果与试验结果进行了对比，吻合较好，同时对流场进行了分析。
1 数值模拟1.1 几何建模和网格划分
采用 Fluent 软件的前处理软件 Gambit 进行几何建模和网格划分。吸油烟机主要由多翼离心叶轮、蜗壳和机壳组成，由于蜗壳的不对称性，不能通过定义周期性边界条件实施单通道流域计算，应取整机作为计算对象 [1] ，同时考虑到吸油烟机结构的复杂性以及烟机各个部件尺寸的不同，因此将整个计算域分成 4 个互相连接的流体区域：机壳区域（机壳和蜗壳之间的流道）、叶轮进口区域（进风圈与叶轮之间的流道）、叶轮区域（ 60 个前向的单圆弧非扭曲叶片之间的流道）和蜗壳区域（叶轮和蜗壳之间的流道）。
对以上 4 个流体区域的连接面，有两种处理方法：一种方法是将连接面定义为内边界 (interior) ，此时就要在几何建模阶段使这个面相邻的两个区域共用这个面；另一种方法是将连接面定义为交界面 (interface) ，此时在几何建模阶段，对这个面相邻的两个区域分别定义一个面，而这两个面的几何位置和形状是相同的，但拥有不同的名称和标记，并可采用不同的网格类型。采用第一种方法，在计算中不需要进行任何处理；若采用第二种方法，则在计算中需要通过 Fluent 中的 Define/Grid interface 来实现这两个面的数据交换 [2] 。
划分网格时，根据各个流体区域的大小采用不同类型、不同大小的网格（非结构化的三棱体和四面体网格），整个计算域一共划分了约 70 万个网格，如图 1 所示。
1.2 计算参数设定及边界处理
考虑到所计算的烟机进出口温度变化不大，同时流速也不高，因此把流动区域的介质看作不可压缩气体，采用 SIMPLEC 算法求解速度和压力的耦合问题。
多翼离心通风机的内部流态是湍流，在计算中采用标准的 k- ε湍流模型，对近壁面区域采用壁面函数法进行处理。也有文献模拟离心通风机内部流场时用的湍流模型是 RNG k-ε模型[1]和realizable k-ε模型[3] 。
进出、口边界条件均选定为压力边界条件，固壁边界满足无滑移条件。
另外，由于多翼离心通风机是旋转机械，其中叶轮区域是旋转的，而其它部分是静止的，因此在计算中要采用多重参照系，叶轮区域作为独立的区域定义为旋转参照系，其它流动区域均为静止的。
计算中在采用标准 k- ε湍流模型的同时，也分别采用 RNG k- ε模型和 realizable k- ε模型进行了计算，并把计算所得的风机的最大流量和截止风压（简称风压）与试验测量的数值进行了对比，见表 1 。
表 1 数值结果与试验结果对比
流量 /(m3 /min)
风压 /Pa
标准 k- ε模型
15.47
256
RNG k- ε模型
15.53
260
realizable k- ε模型
15.51
259
试 验
14.83
252
从表1中看出，采用的3种 k- ε湍流模型所得到的结果极为接近，并且与试验结果也比较吻合，这说明数值模拟的结果是合理的，计算方法是可靠的，同时也说明这3种k- ε模型在计算风机内部流场的结果是可信的。
从表1中同样看出，数值结果比试验测量结果偏大，这主要是由于在建模阶段对烟机的部分区域进行了简化处理，导致摩擦损失、轮阻损失和泄漏损失比试验测量结果偏小的缘故 [4,5] 。
3 流场分析图2是风机的整机流线图，从图中可看出，风机内部的流场非常复杂，尤其是在风机叶轮的进口处。气流从进气口进入机壳后，大部分直接进入到旋转的叶轮中得到加速，而其余的部分则通过蜗壳和机壳之间的区域流入叶轮中，从而在叶轮上方形成了两个漩涡，这些漩涡的存在不仅影响了风机的气动性能（如流量、压力等），而且会带来一些噪声的增加，因此风机进气条件的好坏对这些漩涡的产生发展有着直接的影响，从而影响着风机的性能。
图 3 和图 4 给出了风机叶轮截面的压力分布，从图中看出，在靠近蜗壳出口处的叶轮通道内的压力分布与其它部分的叶轮通道内的压力分布的明显不同。从总压分布图上来看，越靠近叶轮外缘的地方压力越高。
图 5 和图 6 给出了风机叶轮截面的速度分布。就整个叶轮的速度分布情况来看，它与总压的分布十分类似，也说明了在靠近风机蜗壳出口处的叶轮通道与其它叶轮通道速度分布的明显不同。速度和压力在各个叶轮通道分布的不同也正好说明了在计算时，不能采用通过定义周期性边界条件实施的单通道流域计算的方法，而要进行整机的计算。从速度分布中同样可以看出，气流在叶轮外缘处的速度比较大，而且气流在蜗壳内的速度分布，除了在靠近蜗壳出口处分布明显不均外，其余部分的分布情况差别不是很明显。
华北制药股份有限公司4个循环水工程共有冷却塔风机16台，其中L85A型3台，LF60型3台，LF47型10台，其结构示意图如图1。其每小时循环水冷却处理量19100吨，占公司总用水量的96.5%。作为大型化工制药企业，循环水用量大，水温要求低。这就决定了冷却塔风机作为循环水工程中的关键设备必须长时间安全连续运行。因此，也就要求必须做好冷却塔风机的维护与检修工作。经过对循环水冷却塔风机15年的使用与维护，总结经验教训形成了一套比较有效的维护与检修方案。
1、减速机的维护与检修减速机的主要部件是锥齿轮、伞齿轮、斜齿轮及滚动轴承。在负荷的长期作用下，齿轮常发生的失效形式是轮齿工作面磨损和点蚀。齿轮出现磨损或点蚀后，运动精度降低，噪音和振动增大。如果点蚀尺寸大，蚀坑往往成为疲劳源，最终导致轮齿疲劳断裂。因此每年要对齿轮接触精度和点蚀情况进行检查。接触精度的要求见表1。点蚀坑的尺寸长度不超过齿长的1/3和齿高的1/2。滚动轴承正常的失效形式是滚动体或内外圈滚道上的点蚀破坏。当点蚀破坏发生以后减速机会出现比较强烈的振动、噪声和发热现象。由于滚动轴承不宜经常拆卸，并且受到结构和安装位置所限，对滚动轴承直接检查比较困难。在停机后盘车，用听音棒贴住轴承函，仔细听轴承转动的声音，正常轴承转动的声音应是清脆、连续、均匀的。如果声音沉闷、断续、发卡说明轴承可能存在缺陷，要拆下进一步检查，确定失效后更换。此外，使用优质的润滑油并加入适当添加剂有助于延长齿轮、轴承的使用寿命。我公司定期对润滑油的粘度、酸值、机械杂质等重要指标进行化验，达不到标准及时更换。并且在L85A 型、LF60型风机减速机中加入了亚米加904润滑油添加剂，此两种风机齿轮、轴承的设计寿命为50000小时，自1997年使用至今已连续运行60000余小时，历次检查齿轮、轴承都完好。
表1 风机减速机齿轮接触精度要求 名称按高度按长度侧隙范围斜齿轮不小于60%不小于60%—70%0.12-0.22mm锥齿轮不小于60%不小于70%0.15-0.35mm2、联轴器维护与检修联轴器直接关系到风机运行的平稳程度。我公司LF47型、L85A 型、LF60型三种类型的冷却塔风机分别使用了，弹性圈柱销联轴器、弹性柱销联轴器、膜片联轴器。这三种联轴器都起着传递扭矩和缓冲减振的作用。其中，弹性圈柱销联轴器的橡胶弹性圈、弹性柱销联轴器橡胶接头、膜片联轴器的弹性膜片都是弹性元件，可以补偿轴线的相对位移。由于受到多次启动冲击，长期的振动磨损以及腐蚀、老化的影响，弹性元件会失效。因此，每年必须定期间检查。如果橡胶元件出现老化、磨损，弹性膜片出现倒伏或缺损都要及时更换。另外，在安装或检修时，为减小联轴器不对中的影响，两半联轴器的同轴度误差不超过0.1mm。
3、扇叶与风筒的检查与调整扇叶与风筒一般都是玻璃钢材料制作。起抽风、导流作用。由于扇叶由轮毂中的夹块夹持，经过长时间运转扇叶可能会围绕中心转动，影响平衡引起振动。为此，每年必须要检查、调整扇叶角度。对扇叶的具体要求见表2。所有扇叶倾角允差不大于0.5°。为了提高风机的效率，扇叶与风筒间保持很小的间隙。由于风筒是玻璃钢材质刚度较差容易变形，所以大型风机的风筒除了肋筋还有拉筋，控制和调整风筒的圆度。经过长期运行，由于风筒螺栓和拉筋螺栓松动，拉筋磨损、折断，会引起风筒变形，变形严重时，扇叶会蹭到风筒，剧烈摩擦会使扇叶和风筒严重磨损，甚至折断扇叶。因此必须定期检查、调整风筒的圆度误差及扇叶与风筒间隙。根据不同的间隙要求，圆度误差控制在3~5mm。扇叶与风筒间隙要求见表3。另外，要定期检查风筒拉筋，当锈蚀磨损达到直径或壁厚的1/3时更换。
表4 扇叶角度 型号LF-47LF-60L-85A角度°8.5±0.512±0.519±0.5表3 扇叶与风筒间隙 型号LF-47LF-60LF-85A间隙mm9-198-3020-354、润滑油工程的监测与维护 润滑油是风机的“血液”，存在于减速机、油管、油视镜内。润滑油泄漏减速机齿轮将有烧毁的危险。油管一般细而长容易折断，为此，每年至少要检查一次油管，当油管有裂口或壁厚减薄1mm时要更换油管。如果减速机使用的是骨架橡胶密封每年要更换一次，如果使用的是机械密封每年要检查摩擦副的磨损情况，有损坏要更换。风机运行时，由于挥发和渗漏润滑油会不断减少，要定时通过油视镜检查油位，当油位低于减速机1/2时要及时补充润滑油，如果润滑油油位下降过快，要停机检修。此外，减速机箱应安装温度传感器，在快速漏油未被及时发现时，减速机箱温度急速上升，应立刻停机，保护减速机内齿轮和轴承。1999年7月一台LF47型风机，由于未更换壁厚减薄油管，运行中油管断裂并且未能及时发现，致使减速机齿轮烧毁。直接损失近3万元，并且还影响循环水工程的运行。可见，对冷却塔风机润滑油工程监测与维护十分必要。
冷却塔风机是旋转设备。由于联轴器同轴度增大，旋转部件平衡状态劣化，基础强度降低，零部件磨损等原因冷却塔风机的振动烈度会发生变化。根据IS02372《旋转机械的振动烈度标准》和厂家提供的有关资料，振动速度长期运行不超过6.3mm/s，最大不超过10mm/s。大烈度的振动会使机组的连接螺栓松动，状况劣化甚至造成零部件失效。2000年10月一台LF60型风机，由于缺乏对振动的监测，经过长时间振动，地脚螺栓松动，风机发生位移，叶片与风筒摩擦造成叶片与风筒损伤，同时油管被拉断，由于停机及时才没有造成更大损失。因此，必须对风机的振动进行监测。当振动值超过标准时，应针对原因进行检修。另外，所有的螺栓、螺母应有止退措施尽量避免因振动引起螺栓松动发生事故。
6、腐蚀的监测与处理冷却塔轴流风机都是在室外大气中工作的。如图1所示，水汽沿风机扇叶轴向自下而上流动。风机的传动轴、轮毂、支座以及冷却塔的钢结构大都是碳钢材料，长期与水汽接触，工作环境潮湿。大气中含二氧化碳、二氧化硫等气体与水汽结合，形成酸性电解液，发生吸氧腐蚀。当溶液的酸性很大时，也可能有氢离子的还原反应，发生析氢腐蚀。同时生成红棕色的三氧化二铁和绿色的含水四氧化三铁以及黑色的无水四氧化三铁。这种腐蚀在华北地区十分严重。传动轴受较大扭矩，受到腐蚀后，截面积减小抗扭转强度下降，极易发生扭断事故。支座和钢结构承受交变载荷以及重力的作用，受到腐蚀后，截面积减小刚度下降，致使风机振动加剧；当强度下降到一定程度后，风机、风筒还有倾斜的危险。另外，轮毂腐蚀后会发生质心变化引起不平衡振动。2000年1月一台LF47型风机，其传动轴是空心轴。由于腐蚀严重和材质不均，空心轴壁局部减薄到0.3mm，启动时，在启动扭矩作用下发生扭断，断轴飞起将叶片打断，造成很大损失。因此，对腐蚀的监测与处理是十分必要的。首先，在材质选择上尽量选择不锈钢材料这样可以减小腐蚀的影响；其次，要定期检测钢铁材料的壁厚，校核刚度、强度，达不到要求时及时加固或更换；再次，对于碳钢表面必须定期做彻底防腐处理。通过以上措施将会大大降低腐蚀的影响。
近年来通过由于着重落实了以上几个方面的维护与检修，风机的完好率达到100%，确保了循环水工程的安全高效运行。经济和社会效益显著。
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