小流量工况下离心风机蜗壳内部的三维流动测量分析

　　大宽度矩形截面蜗壳是大多数工业用离心通风机普遍采用的蜗壳形式,但在小流量工况下对其内部流动的研究还很少[1,2].本文实验是在蜗壳螺旋通道部分设置8个测量横截面,每个横截面内沿水平方向和垂直方向均相距10 mm设置一个测点,力求详细深入地了解小流量工况下风机的大宽度矩形截面蜗壳内部的流动状况,为进一步分析其流动和损失机理,不断改进设计方法,优化蜗壳结构,改善蜗壳和叶轮的匹配关系以及对蜗壳内部流动进行数值模拟等提供参考.

　　1　实验装置

　　本实验在西安交通大学流体机械国家专业实验室进行,实验装置符合GB1236-85国家标准.在实验时,风机的流量为19·417 m³/min(设计流量为30·3m³/min),转速为1 600 r/min,转速波动控制在±10r/min以内.叶轮直径D₂=400 mm,叶轮出口宽度b₂=64 mm,12个后向直叶片沿圆周均布,出口角β_2A=50°.实验蜗壳为矩型截面,宽度B为199 mm,B/b₂=3·1,蜗壳型线为近似的对数螺旋线.蜗壳螺旋通道部分共设置8个测量横截面,见图1和表1.

　　在每个测量横截面内,从r=160 mm处开始,沿径向每隔10 mm开一个测孔.探针从测孔伸入到蜗壳内部,通过一个测孔可沿轴向(蜗壳的宽度方向)对若干测点进行测量,即沿轴向形成一行测点.在测量时同时使用两只五孔探针,分别将其置于不相邻的两个测量横截面内.探针通过坐标架固定在蜗壳壁面的测孔上,调节坐标架可控制探针沿轴向移动的距离.从壁面附近一个统一的起点开始,沿轴向每移动10 mm测量一次.在测量截面的半径大于叶轮直径的区域,每行为20个测点,在测量截面的半径小于叶轮直径的区域,由于有叶轮存在,所以每行为8~10个测点.

　　测量使用的五孔探针经标准校正风洞校正,探针球型头部的直径为5 mm.实验数据的采集使用流体机械研究所研究的“MGS试验数据采集系统”.

　　2　实验结果及分析

　　为叙述方便,图2给出蜗壳通流横截面示意图及本文用到的某些定义.图中区域Ⅱ和区域Ⅲ是大宽度风机蜗壳特有的区域.特别是区域Ⅲ,它在圆周方向0°~360°截面之间是连通域.

　　2.1　蜗壳内的二次流动

　　按照国内、外同类研究的习惯[1~6],测量横截面取为径向截面(见图1),则气流的径向分速度Cr和轴向分速度Cz的合速度Cm平行于测量横截面,通常把该横截面内Cm构成的速度场看作是二次流动.图3给出的是8个横截面内二次流动的速度分布.

　　在蜗舌(θ= 57°,截面A)处,叶轮轮盖外侧的空腔内就已有二次旋涡开始形成.沿θ方向,随着螺旋通道的横截面积不断增加,该旋涡不断发展扩大,其位置处于区域Ⅱ和区域Ⅲ的交界附近,旋涡中心的旋转速度相对较小.到截面D(θ=180°)处,第1个旋涡依然存在,在区域Ⅰ靠近蜗壳后侧板处开始出现第2个旋涡,该旋涡亦随θ角的增加而逐渐变大.从截面F(θ=270°)处开始,蜗壳横截面内同时存在3个旋涡,到截面H(θ=360°)时,区域Ⅰ的旋涡依然非常明显,其他两个旋涡则有所消弱.