葉學(xué)民，丁學(xué)亮，李春曦

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003）

目前，大型火力發(fā)電機(jī)組的送、引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)多采用軸流風(fēng)機(jī)，其中動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)因其高性能而受到廣泛應(yīng)用.但實(shí)際運(yùn)行中，軸流風(fēng)機(jī)在額定負(fù)荷下的參數(shù)明顯偏離最高效率點(diǎn)對應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，低負(fù)荷時運(yùn)行效率則更低，因此增加了風(fēng)機(jī)電耗，使其高運(yùn)行效率特征大打折扣.這是因?yàn)樵陲L(fēng)機(jī)選型時，出于機(jī)組安全性的考慮，往往采用偏大的裕量系數(shù)，從而使額定負(fù)荷下的實(shí)際工況點(diǎn)與最高效率點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)相差約30%，最高甚至達(dá)60%［1］.為滿足機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)要求，常常需對動葉安裝角進(jìn)行深度調(diào)節(jié)，使其效率進(jìn)一步降低，進(jìn)而造成高效軸流風(fēng)機(jī)長期處于中低負(fù)荷下低效運(yùn)行的普遍現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性.

因此，如何對現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，使其運(yùn)行在高效區(qū)顯得迫在眉睫.在滿足負(fù)荷需求和盡可能減小動葉安裝角調(diào)節(jié)幅度的前提下，葉片切割是使運(yùn)行工況點(diǎn)效率處于高效區(qū)的有效措施，也是燃煤電廠深化節(jié)能減排策略的重要方面.因此，深入研究風(fēng)機(jī)葉片切割后在不同安裝角下的運(yùn)行性能有重要意義.

目前，對軸流風(fēng)機(jī)的研究大多致力于葉頂間隙［2-8］或安裝角［9-12］對風(fēng)機(jī)性能的影響.針對等環(huán)量設(shè)計(jì)的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，呂峰等［13］對葉片頂切的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同輪轂比時的性能曲線，并用2種流量系數(shù)表示方法進(jìn)行分析，但其未考慮葉頂間隙不變對風(fēng)機(jī)性能的影響.劉洋等［14］討論了不同葉頂間隙對風(fēng)機(jī)性能的影響.葉學(xué)民等［15-16］研究了軸流風(fēng)機(jī)多動葉安裝角非同步調(diào)節(jié)的內(nèi)流和運(yùn)行特征，分析了安裝角異常對總壓和效率的影響.對于葉片切割前后的軸流風(fēng)機(jī)性能，僅李春曦等［17］分析了在某一葉片安裝角下葉片切割后的參數(shù)關(guān)系，但并未給出低于設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行和靜載荷特征的變化.

鑒于目前動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的負(fù)荷大多低于設(shè)計(jì)值，且葉片切割是使其運(yùn)行于高效區(qū)的有效措施，而針對不同安裝角下葉片切割后的風(fēng)機(jī)性能研究尚不完善.為此，筆者采用Fluent軟件對OB-84型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究當(dāng)體積流量小于設(shè)計(jì)值時，在不同安裝角下葉片采取不同切割量且保持葉頂間隙不變時的風(fēng)機(jī)性能、噪聲和葉片靜力結(jié)構(gòu)特性，為實(shí)際改造提供參考依據(jù).

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

圖1中，以O(shè)B-84型帶后置導(dǎo)葉的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)模型為研究對象，計(jì)算區(qū)域包括從集流器到擴(kuò)壓器的全部內(nèi)流通道.該風(fēng)機(jī)有14片動葉、15片導(dǎo)葉，基元翼型為NACA 翼型，轉(zhuǎn)速為1 200r／min，原風(fēng)機(jī)葉片直徑為1 500mm.葉片切割后，因葉頂間隙增大將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)泄露損失增加，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能顯著下降.為此參照文獻(xiàn)［18］，在對應(yīng)動葉處的機(jī)殼內(nèi)表面加裝圓筒，保持葉頂間隙不變，同時實(shí)現(xiàn)加裝圓筒前后平滑過渡以減少損失，如圖2所示.

圖1 風(fēng)機(jī)模型及計(jì)算域示意圖Fig.1 Diagram and calculation domain of axial flow fan

圖2 保持葉頂間隙不變時的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the axial flow fan with tip clearance unchanged

1.2 網(wǎng)格劃分

基于動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分區(qū)和局部加密劃分方法，將計(jì)算域分成集流器、動葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器4部分（見圖1）.針對動葉內(nèi)部流動特征，在動葉區(qū)采用加密網(wǎng)格，而集流器、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器采用稀疏網(wǎng)格.為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，選取4組網(wǎng)格數(shù)，對設(shè)計(jì)體積流量qV＝37.12m3／s下的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，如表1所示.由表1可知，不同網(wǎng)格數(shù)下的全壓和效率變化不大，考慮到計(jì)算資源和時長，選取整機(jī)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為2 347 660.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Verification of grid independence

1.3 計(jì)算模型及邊界條件

模擬采用Realizablek-ε湍流模型，該模型可有效解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動分離、二次流及回流等情形［19］.計(jì)算中，將風(fēng)機(jī)集流器進(jìn)口截面作為整個計(jì)算域的進(jìn)口，邊界條件設(shè)為進(jìn)口速度；擴(kuò)壓器的出口截面作為整個計(jì)算域的出口，邊界條件設(shè)為自由流出.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)機(jī)性能比較

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對安裝角β＝32°且未切割時的風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬.結(jié)果表明，在模擬體積流量范圍內(nèi)（29m3／s≤qV≤47m3／s），所得全壓和效率與文獻(xiàn)［20］中的數(shù)據(jù)相比，偏差分別為3.1%和2.6%，因此保證了本文數(shù)值模擬的可靠性.

因OB-84型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在動葉安裝角β＝32°下運(yùn)行具有最高效率，且β＝29°～35°為高效調(diào)節(jié)范圍，因此選取β＝29°、32°和35°進(jìn)行分析.圖3給出了不同切割量下的風(fēng)機(jī)性能曲線，圖中Δ為切割量，即葉片切割長度占葉片總長度的百分比.由圖3可知，不同體積流量下葉片切割量對性能曲線的影響有所不同.當(dāng)qV≥35m3／s時，葉片切割后全壓和效率性能曲線下移，且隨體積流量的增大，全壓和效率的降幅均增大，因此，葉片切割可顯著降低該體積流量區(qū)的運(yùn)行性能.當(dāng)qV＜35m3／s時，原風(fēng)機(jī)在不同安裝角下的全壓曲線均存在不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)（簡稱不穩(wěn)定區(qū)），且安裝角越大，不穩(wěn)定區(qū)越寬；β＝35°時，駝峰曲線下降趨勢隨切割量的增大而減緩，甚至在β＝29°和β＝32°時，駝峰外形基本消失，因此葉片切割可有效減小不穩(wěn)定區(qū)范圍.在此范圍內(nèi)的效率曲線也有不同程度改善，當(dāng)qV＝29.98 m3／s、β＝29°時的效率隨切割量增大而小幅減小，但仍高于原風(fēng)機(jī)效率；當(dāng)qV＝32.73 m3／s時，β＝32°對應(yīng)的效率隨切割量增大無明顯變化，而小于此流量時，葉片切割量越大，風(fēng)機(jī)效率反而提高；當(dāng)qV＝34.16 m3／s時，β＝35°下的風(fēng)機(jī)效率變化特征與β＝32°下的風(fēng)機(jī)效率變化特征類似.

此外，圖3（a）中，在qV＝26～28 m3／s內(nèi)，當(dāng)Δ＝0%和Δ＝5%時，不僅風(fēng)機(jī)效率隨體積流量減小而降低，而且全壓也明顯降低，即風(fēng)機(jī)處于不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)；但Δ＝10%和Δ＝15%時的全壓和效率曲線則得到明顯改善.如進(jìn)一步減小體積流量至22～26 m3／s，全壓和效率均顯著降低，不穩(wěn)定區(qū)進(jìn)一步惡化，實(shí)際情況下風(fēng)機(jī)也不會運(yùn)行在該區(qū)域.考慮到風(fēng)機(jī)的實(shí)際負(fù)荷，以下僅討論qV＝30～46 m3／s內(nèi)的風(fēng)機(jī)性能.

從圖3 還可以看出，切割量不變時，安裝角由29°增大至35°，且當(dāng)qV≥42m3／s時全壓和效率隨安裝角增大而提高；而當(dāng)qV＜35m3／s時，安裝角越大全壓曲線的駝峰外形更加明顯；最高效率點(diǎn)對應(yīng)的體積流量隨安裝角的增大向流量增加方向移動.綜上所述，葉片切割可改善甚至消除風(fēng)機(jī)在低于額定體積流量下的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，且切割后風(fēng)機(jī)效率變化不大或有不同程度提高，表明葉片切割可優(yōu)化風(fēng)機(jī)在該體積流量區(qū)的運(yùn)行性能，并有效解決裕量過大的問題.雖然通過改變安裝角也能在一定程度上改善裕量過大的問題，但效果劣于葉片切割.

圖3 風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.3 Performance curves of the axial fan

2.2 噪聲預(yù)估

考慮到目前風(fēng)機(jī)的實(shí)際體積流量大多低于設(shè)計(jì)值，筆者針對qV＝33.29 m3／s（約為設(shè)計(jì)體積流量的90%）展開分析.為探究葉片切割和安裝角對風(fēng)機(jī)噪聲的影響，圖4給出了葉輪中間截面聲功率級分布，旋轉(zhuǎn)方向如圖所示.由圖4可知，流道中聲功率級等值線近似呈環(huán)狀從流道中心向外側(cè)分布，在葉頂出現(xiàn)最大噪聲源，低噪聲則在流道中部附近且在旋轉(zhuǎn)作用下更靠近壓力面.

葉片未切割時，如圖4（a）～圖4（c）所示，不同安裝角下聲功率級最大值和最小值均相同，當(dāng)β＝35°時存在2個高噪聲區(qū)，分別位于葉片頂部和靠近吸力面位置，這是由于氣流與葉片間的沖角增大，進(jìn)而造成氣流對葉片沖擊所致.β＝29°、32°和35°時，葉輪中間截面聲功率級平均值分別為46.04dB、47.78dB和55.13dB，因此，安裝角越小，噪聲水平越低.葉片切割后，如圖4（d）～圖4（f）所示，聲功率級最大值和最小值均比未切割時小幅減小；且聲功率級分布與葉片切割量關(guān)系密切，葉片切割量越大，低噪聲區(qū)逐漸擴(kuò)大且有向流道中部移動的趨勢；β＝29°，Δ＝5%、10%和15%時，對應(yīng)的中間截面聲功率級平均值分別為44.05dB、38.64dB 和38.91 dB，即隨著切割量的增大，中間截面上的聲功率級總體呈減小趨勢；另外，與葉片未切割相比，聲功率級顯著減小.因此，減小動葉安裝角和增大切割量均可使風(fēng)機(jī)噪聲水平下降，但葉片切割后的效果要優(yōu)于改變動葉安裝角.

圖4 葉輪中間截面聲功率級分布Fig.4 Contours of sound power level at middle cross section of the impeller

2.3 靜力結(jié)構(gòu)分析

葉片切割及改變安裝角后，葉片表面載荷將隨其附近流場的改變而改變.因此，對其進(jìn)行靜力強(qiáng)度校核以保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行.

選用Ansys靜力結(jié)構(gòu)分析模塊研究葉片表面的總變形和等效應(yīng)力分布.因氣流通過流道使葉片表面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，同時葉片還要承受葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，故計(jì)算中葉片加載重力、離心力和氣動力3種載荷［21］.采用第四強(qiáng)度理論對軸流風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行強(qiáng)度校核，選取材料的屈服極限作為極限應(yīng)力.塑性材料的許用應(yīng)力［σ］＝σs／ns，其中，σs和ns分別為屈服強(qiáng)度和安全系數(shù).一般來說，對于彈性結(jié)構(gòu)加載靜力載荷，ns＝1.5～2.所研究風(fēng)機(jī)葉片的材料為鑄鋁ZL101，其屈服強(qiáng)度σs為180 MPa，ns取值為2，可得葉片的許用應(yīng)力為90MPa.

2.3.1 總變形分布

qV＝33.29m3／s時的葉片總變形分布見圖5.由圖5可知，不同情形下葉片總變形的分布規(guī)律相似，等值線沿對角線方向變化，葉根區(qū)總變形為零，最大值位于葉頂前緣.這是離心力和氣動力相互作用產(chǎn)生的結(jié)果，離心力使葉片沿徑向拉伸，而在氣動力作用下會產(chǎn)生垂直葉片方向的形變.葉片未切割時，隨著安裝角的增大，最大總變形增大，且其范圍也隨之?dāng)U大.β＝29°時，隨葉片切割量的增大，總變形最大值逐漸減小，同時在葉底后緣處出現(xiàn)形變且其范圍變大.因此，葉片切割和改變安裝角并未影響總變形分布，而葉片切割可使總變形達(dá)到更小水平.

2.3.2 等效應(yīng)力分布

圖6和圖7分別為葉片壓力面和吸力面等效應(yīng)力分布.由圖6可知，葉片中上部等值線沿葉高方向近似呈平行直線分布，而根部等值線分布較為復(fù)雜，壓力面最大等效應(yīng)力位于葉片根部靠近前緣區(qū)域，向葉頂和后緣方向呈逐漸減小趨勢，葉頂和葉根后緣出現(xiàn)較小等效應(yīng)力區(qū).這是因?yàn)槿~根固定在輪轂上且截面積最大，在葉輪轉(zhuǎn)動過程中承受整個葉片的離心力，因此應(yīng)力集中于葉片底部.葉片未切割時（見圖6（a）～圖6（c）），β＝29°和β＝32°時的最大等效應(yīng)力值相差不大，且均低于β＝35°情形，而最小等效應(yīng)力值則隨安裝角的增大而增大.圖6（d）～圖6（f）中，β＝29°時不同切割量下的最大等效應(yīng)力值分別為0.366MPa、0.348MPa和0.336MPa，與未切割時相比分別減小了9.6%、14.1%和17.0%.因此，最大等效應(yīng)力隨切割量的增大而減小.

由圖7可知，吸力面等效應(yīng)力分布比壓力面要復(fù)雜，但等效應(yīng)力同樣集中于葉片根部，葉片中上部等效應(yīng)力較小.在葉根處存在2個應(yīng)力集中區(qū)，分別靠近前緣與后緣，同時，在葉底中部存在一橢圓形低等效應(yīng)力區(qū)，葉片吸力面大部分等效應(yīng)力值均處于較低水平.圖6 和圖7 中的最大等效應(yīng)力值為0.721 MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力90MPa，因此滿足靜強(qiáng)度要求.可見，葉片切割及改變安裝角并不改變等效應(yīng)力分布規(guī)律，只對等效應(yīng)力值有所影響；改變安裝角和葉片切割均可降低等效應(yīng)力，但葉片切割的方式更有利于風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行.

圖5 葉片總變形分布Fig.5 Total deformation distribution of the blade

圖6 葉片壓力面等效應(yīng)力分布Fig.6 Equivalent stress distribution on pressure surface of the blade

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

圖8給出了qV＝33.29m3／s、β＝29°和β＝32°時軸功率和效率隨切割量的變化.由圖8可知，β＝29°時的軸功率和效率均隨切割量的增大而降低，而β＝32°時的效率基本保持不變；β＝32°時，Δ＝10%和Δ＝15%的軸功率均小于β＝29°、Δ＝0%的情形.可見，切割量Δ≥10%時，采用葉片切割方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于改變安裝角.

為保證機(jī)組安全運(yùn)行，風(fēng)機(jī)選型時需留有一定裕量，但裕量過大可導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行在低效區(qū)，進(jìn)而影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性.根據(jù)文獻(xiàn)［1］選取體積流量裕量和全壓裕量分別為10%和30%，以分析軸流風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.當(dāng)體積流量裕量為10%時，機(jī)組在100%和90%負(fù)荷運(yùn)行時分別對應(yīng)風(fēng)機(jī)體積流量為設(shè)計(jì)體積流量的90%和80%，由性能曲線可知此時風(fēng)機(jī)處于穩(wěn)定工況區(qū).表2為不同情形下風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性比較，表中p100和p90分別為機(jī)組100%和90%負(fù)荷下的風(fēng)機(jī)全壓，假設(shè)風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行7 000h，方案1～方案5 分別代表全年100%負(fù)荷、全年90%負(fù)荷、全年100%和90%負(fù)荷各占1／2、全年100%和90%負(fù)荷各占2／3 和1／3，以及全年100%和9 0%負(fù)荷各占1／3和2／3.設(shè)計(jì)工況下，風(fēng)機(jī)體積流量和全壓分別為37.12m3／s和2 254Pa，當(dāng)體積流量裕量和全壓裕量分別為10%和30%時，對應(yīng)機(jī)組所需的體積流量和全壓分別為33.41 m3／s 和1 577.8Pa，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)運(yùn)行于33.41 m3／s，此時全壓為2 454 Pa，比系統(tǒng)所需全壓高876.2Pa，因而機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較差.由表2可知，葉片切割后的年耗電量隨切割量的增大及安裝角的減小而降低，但100%負(fù)荷下β＝29°、Δ＝15%時的全壓低于1 577.8Pa，不能滿足機(jī)組所需全壓.雖然90%負(fù)荷下β＝29°、Δ＝15%時的全壓能滿足系統(tǒng)要求，但考慮到機(jī)組調(diào)峰的需要，葉片切割量應(yīng)小于15%.從表2還可知，β＝29°、Δ＝10%時既可滿足全壓要求，又達(dá)到節(jié)能目的.為此，β＝29°、Δ＝10%可適用于機(jī)組在多種方案下運(yùn)行并具有最佳的經(jīng)濟(jì)性，還可保證風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的靈活性.

圖7 葉片吸力面等效應(yīng)力分布Fig.7 Equivalent stress distribution on suction surface of the blade

圖8 不同切割量下軸功率和效率的變化Fig.8 Variations of shaft power and efficiency at different rates of blade trimming

表2 不同情形下的經(jīng)濟(jì)性比較Tab.2 Economic comparison under different cases

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)qV≥35 m3／s時，全壓和效率隨切割量的增大及安裝角的減小而降低，且體積流量越大降幅越明顯.當(dāng)qV＜35m3／s時，葉片切割可有效縮小不穩(wěn)定區(qū)范圍，使駝峰曲線下降趨勢減緩甚至消失；同一安裝角下，葉片切割后效率變化不大或有不同程度提高.同一切割量下，安裝角由29°增大至35°，效率最高點(diǎn)對應(yīng)的體積流量向流量增加方向移動.

（2）葉片切割可擴(kuò)大流道內(nèi)低噪聲區(qū)的范圍，進(jìn)而降低噪聲總體水平；改變安裝角也可減小流道內(nèi)的平均聲功率級，但效果低于葉片切割.靜力結(jié)構(gòu)分析表明，葉片切割和減小安裝角均可使最大葉片總變形和等效應(yīng)力減小，但未改變其分布規(guī)律，且葉片切割對風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性更有利.

（3）風(fēng)機(jī)年耗電量隨切割量的增大及安裝角的減小而降低，在滿足系統(tǒng)所需全壓條件下，β＝29°、Δ＝10%可適用于機(jī)組在多種方案下運(yùn)行，并具有最佳經(jīng)濟(jì)性，可有效改善參數(shù)裕量過大的問題.

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