呂玉坤，劉海峰，張 健

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

能源消耗大、噪聲污染嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)是一種被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)的通用設(shè)備。通常使用的風(fēng)機(jī)主要有軸流式風(fēng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)和混流式風(fēng)機(jī)。從行業(yè)角度來(lái)講，離心式風(fēng)機(jī)的使用量最大，約是軸流式風(fēng)機(jī)的兩倍多。在火電廠中風(fēng)機(jī)是僅次于泵的耗電大戶，其耗電量約占發(fā)電機(jī)組發(fā)電量的1.5%～3%，占廠用電量的25%～30%。而目前離心式風(fēng)機(jī)在我國(guó)300 MW以下機(jī)組中占有較大比例［1～3］，因此研究和改造離心式風(fēng)機(jī)，提高其效率，對(duì)火電廠的節(jié)能增效具有重要意義［1］。本文對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室 G4－73№8D型離心式風(fēng)機(jī)加裝短葉片，并進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)和噪聲實(shí)驗(yàn)。

1 加裝短葉片

短葉片采用點(diǎn)焊的方式進(jìn)行焊接 (即只焊接短葉片的四個(gè)角)，在離心風(fēng)機(jī)葉輪上加裝短葉片如圖1所示。

圖1 加裝短葉片后葉輪結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Impeller with short－blade

2 風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)布置

本實(shí)驗(yàn)采用進(jìn)出氣實(shí)驗(yàn)裝置，在風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由進(jìn)氣管道、實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)、軸向?qū)Я髌?、測(cè)試管路、節(jié)流錐、連接管和測(cè)量裝置等組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Bench structure

2.1 流量測(cè)量

流量通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)氣管道的進(jìn)口集流器測(cè)量:

式中:εn為集流器膨脹系數(shù)，εn=1;φn為集流器流量系數(shù)，φn=0.99;An為集流器喉部截面積，m2;ρ為測(cè)定條件下的空氣密度，kg/m3;pestj為集流器喉部靜壓，pestj=－9.806 65kl(Pa)。其中:k為微壓計(jì)系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中 k=0.6;l為微壓計(jì)讀數(shù)，mm。

2.2 全壓測(cè)量

風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓測(cè)點(diǎn)到風(fēng)機(jī)進(jìn)口之間距離l1的管道阻力損失，這部分損失以pw1表示:

式中:l1為測(cè)點(diǎn)到風(fēng)機(jī)入口的距離，m;D1為風(fēng)筒直徑，m;pd1為進(jìn)口靜壓測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓，pd1=

由于風(fēng)機(jī)出口到出口靜壓測(cè)點(diǎn)之間也存在流動(dòng)損失，使測(cè)得的靜壓比風(fēng)機(jī)出口實(shí)際靜壓偏低。這部分損失用pw2表示:

式中:l2為風(fēng)機(jī)出口到測(cè)點(diǎn)的距離，m;D2為風(fēng)筒直徑，m;pd2為出口靜壓測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓，pd2=

風(fēng)機(jī)進(jìn)、出氣管道的靜壓和動(dòng)壓分別用U型管、微壓計(jì)和皮托管測(cè)出。

2.3 有功功率計(jì)算

風(fēng)機(jī)有效功率可直接由全壓和流量按pe=pqV/1 000計(jì)算求得。若考慮氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)的壓縮性并忽略與外界的熱交換，則葉輪對(duì)單位體積氣體所作功為

式中:k為空氣絕熱指數(shù)，k=1.4。

2.4 軸功率、效率計(jì)算

軸功率Psh:風(fēng)機(jī)軸功率用CYB－803S型扭矩傳感器直接測(cè)量得到。

風(fēng)機(jī)效率:

3 風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 全壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)加裝短葉片前后的離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)，得到加裝短葉片前后風(fēng)機(jī)的全壓無(wú)因次性能曲線如圖3所示。

由圖3可看出，當(dāng)相對(duì)流量小于40%時(shí)，加裝短葉片后的風(fēng)機(jī)全壓低于原風(fēng)機(jī)全壓，但最多不超過(guò)0.9%;當(dāng)相對(duì)流量大于40%時(shí)，加裝短葉片后的風(fēng)機(jī)全壓大于原有風(fēng)機(jī)全壓，而且隨著相對(duì)流量的增大，比原風(fēng)機(jī)全壓高的越多;當(dāng)相對(duì)流量在100%左右時(shí)，全壓大約提高了6.5%;相對(duì)流量在120%時(shí)，全壓大約可以提高8.5%。從風(fēng)機(jī)工作的流量范圍 (相對(duì)流量為48% ～130%)看，風(fēng)機(jī)全壓平均上升了約5.9%。

3.2 效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

加裝短葉片前后風(fēng)機(jī)無(wú)因次效率曲線如圖4所示。

圖3 風(fēng)機(jī)全壓無(wú)因次性能曲線Fig.3 Full－pressure dimensionless performance curve of fan

圖4 風(fēng)機(jī)效率無(wú)因次曲線Fig.4 Efficiency dimensionless performance curve of fan

對(duì)比風(fēng)機(jī)改裝前后，當(dāng)相對(duì)流量小于27%時(shí)，加裝短葉片風(fēng)機(jī)的效率高于原風(fēng)機(jī)效率，但是效率提高較小，最高不超過(guò)0.01%;相對(duì)流量在27%～42%之間時(shí)，原風(fēng)機(jī)效率高于加裝短葉片后的風(fēng)機(jī)效率，但最高不超過(guò)0.2%，因這個(gè)區(qū)域處于風(fēng)機(jī)允許運(yùn)行的范圍 (相對(duì)流量為48%～130%)之外，所以效率的改變對(duì)風(fēng)機(jī)影響較小;相對(duì)流量在42% ～83%之間時(shí)，加裝短葉片風(fēng)機(jī)的效率與原風(fēng)機(jī)效率幾乎相等;相對(duì)流量在83%～111%時(shí)，加裝短葉片風(fēng)機(jī)的效率低于原風(fēng)機(jī)效率，平均低約0.2%。原風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)與加裝短葉片后風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)同處于這個(gè)區(qū)域，且兩者最高效率大約只相差0.1%。當(dāng)相對(duì)流量大于111%時(shí)，加裝短葉片風(fēng)機(jī)的效率高于原風(fēng)機(jī)效率，平均增大約0.9%。由于電廠風(fēng)機(jī)一般在相對(duì)流量為50%～100%下運(yùn)行，而此時(shí)風(fēng)機(jī)的效率改變很小，甚至可以忽略。所以在效率方面，改造前后的風(fēng)機(jī)區(qū)別較小。從整體看，加裝小葉片后風(fēng)機(jī)的高效區(qū)得到拓寬，風(fēng)機(jī)性能得到改善［4～6］。

3.3 噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)量噪聲使用ND2型精密聲級(jí)計(jì)和倍頻程濾波器，該聲級(jí)計(jì)適用于各類瞬時(shí)噪聲的精密測(cè)量及噪聲頻譜分析。風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量遵循GB2888－1982《風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》，選用近場(chǎng)測(cè)聲法進(jìn)行。按照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同工況下的風(fēng)機(jī)近聲場(chǎng)噪聲聲級(jí)與頻譜進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Fan noise measuring points

節(jié)流調(diào)節(jié)是最簡(jiǎn)便的風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)方法，通過(guò)調(diào)整進(jìn)、出口處的閘門(mén)或檔板開(kāi)度達(dá)到改變風(fēng)機(jī)流量的目的［7～8］。本實(shí)驗(yàn)采用出口節(jié)流錐來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量。在變工況下，對(duì)加裝短葉片前后的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了A聲級(jí)噪聲及頻譜噪聲實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到加裝短葉片前后風(fēng)機(jī)A聲級(jí)噪聲與風(fēng)機(jī)流量間的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 聲壓與流量無(wú)因次曲線Fig.6 Sound pressure and flow dimensionless curve

從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)噪聲隨流量的增加先降低后升高，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在相對(duì)流量為66%工況附近時(shí)噪聲較低。從風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)看，其原因在于當(dāng)風(fēng)機(jī)在這個(gè)流量下運(yùn)行時(shí)，葉輪與蝸殼有較好的適配關(guān)系，而運(yùn)行在當(dāng)相對(duì)流量小于55%時(shí)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況惡化，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性振動(dòng)，因而噪聲水平也較高。

與原有風(fēng)機(jī)相比，加裝短葉片后的風(fēng)機(jī)整體噪聲均有所上升。其中，當(dāng)相對(duì)流量小于28%時(shí)，加裝短葉片的風(fēng)機(jī)噪聲小于原葉輪的噪聲;當(dāng)相對(duì)流量大于28%小于81%時(shí)，原葉輪的降噪效果明顯優(yōu)于加裝短葉片的葉輪，加裝短葉片后風(fēng)機(jī)噪聲大約平均上升了1.1 dB;當(dāng)相對(duì)流量大于81%時(shí)，加裝短葉片風(fēng)機(jī)與原風(fēng)機(jī)噪聲相差較小，平均上升了不足0.5 dB?？紤]到短葉片為直葉片，沒(méi)有光滑過(guò)度的前緣和尾緣，所以直接沖擊氣流可產(chǎn)生很大噪聲;無(wú)完全焊接短葉片的漏風(fēng)和泄漏間隙的增大都增加了噪聲的來(lái)源。如果去掉這部分噪聲，加裝短葉片后的噪聲將會(huì)有較大幅度的下降。

圖7和圖8分別給出了相對(duì)流量在91%和相對(duì)流量為105%時(shí)的噪聲頻譜圖。

圖7 相對(duì)流量為91%時(shí)風(fēng)機(jī)倍程聲壓級(jí)曲線Fig.7 Sound pressure curve when relatively flow is 91%

從圖中可以看出，在1 600 Hz以下時(shí)噪聲隨頻率的增加變化不大，當(dāng)頻率大于1 600 Hz時(shí)噪聲明顯降低。原葉輪在250 Hz～300 Hz左右出現(xiàn)噪聲峰值，該峰值是旋轉(zhuǎn)噪聲和旋渦噪聲相互混雜的結(jié)果。其中，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為

式中:n為風(fēng)機(jī)葉片輪轉(zhuǎn)速，n=1 450 r/min;Z=12;i為諧波序號(hào)1，2，3，……。

i=1為基頻，從噪聲強(qiáng)度看，基頻最強(qiáng);i=2，3，4，……為高次諧音，其總趨勢(shì)是逐漸減弱的。由式4可得該風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為fr=290 Hz，因此在290 Hz附近原風(fēng)機(jī)噪聲以旋轉(zhuǎn)噪聲為主，總噪聲為旋轉(zhuǎn)噪聲、旋渦噪聲及振動(dòng)噪聲的疊加。而加裝小葉片風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為fr=580 Hz，因此在580 Hz附近，其噪聲以旋轉(zhuǎn)噪聲為主［9～10］。

圖8 相對(duì)流量為105%時(shí)風(fēng)機(jī)倍程聲壓級(jí)曲線Fig.8 Sound pressure curve when relatively flow is 105%

對(duì)加裝短葉片前后的風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行頻譜對(duì)比，可知，在31.5～500 Hz的低頻段，加裝短葉片后的風(fēng)機(jī)噪聲與原風(fēng)機(jī)噪聲互有大小，總體小于原風(fēng)機(jī)噪聲，聲壓級(jí)下降約1～5 dB，平均下降約1.5 dB;當(dāng)頻率大于2 500 Hz時(shí)，原風(fēng)機(jī)噪聲與改造后風(fēng)機(jī)噪聲相差很小;當(dāng)頻率處于500～2 500 Hz之間時(shí)，加裝短葉片后風(fēng)機(jī)噪聲顯著增加，平均增大約2.5 dB。

考慮到葉片的增加導(dǎo)致射流—尾流結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，從而增加了旋渦噪聲;短葉片焊接不嚴(yán)密增加了約24個(gè)小型高速射流，這些射流沖擊葉輪中的主流，也增加了旋渦噪聲;短葉片的出口并不完全與葉輪出口相配合，導(dǎo)致周期性沖擊蝸殼內(nèi)的旋渦，并與蝸殼內(nèi)流動(dòng)偶合，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲。因此，如果上述現(xiàn)象能夠克服，那么風(fēng)機(jī)噪聲同樣可以得到較好的控制。

4 結(jié)論

在分析離心式風(fēng)機(jī)葉輪中流體流動(dòng)情況的基礎(chǔ)上，對(duì)電站中廣泛使用的G4－73型離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造，加裝了短葉片，并做了在出口節(jié)流調(diào)節(jié)下的風(fēng)機(jī)性能和噪聲實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，加裝短葉片后，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速 (1 450 r/min)且相對(duì)流量處于48%～130%內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓平均提高約5.9%，風(fēng)機(jī)效率平均下降了不到0.1%，風(fēng)機(jī)噪聲增加約1 dB。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定轉(zhuǎn)速且相對(duì)流量小于40%時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓下降約0.9%，噪聲平均增加約0.3 dB。

因?qū)嶒?yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)中存在很多不利于風(fēng)機(jī)效率和風(fēng)機(jī)全壓提高的因素，因此，如果這些缺點(diǎn)能夠克服，那么風(fēng)機(jī)性能將得到進(jìn)一步提高。

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