汽輪發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇的數(shù)值模擬及優(yōu)化

劉全忠，宮汝志，王洪杰，魏顯著

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001，liuquanzhong@hit.edu.cn)

軸流風(fēng)扇是汽輪發(fā)電機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)中最重要的部件，通過數(shù)值計(jì)算可以模擬風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)并提供整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)參數(shù)，充分認(rèn)識(shí)軸流風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有效可靠的依據(jù).

Li Yimin 等通過流動(dòng)可視化和數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)軸流風(fēng)扇內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可行性［1］;文獻(xiàn)［2-4］分別針對(duì)不同的軸流風(fēng)扇進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好;谷慧芳等基于CFD 計(jì)算，運(yùn)用三階樣條插值方法，對(duì)影響風(fēng)機(jī)性能的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，考慮了多種參數(shù)影響下的風(fēng)機(jī)優(yōu)化問題［5］;文獻(xiàn)［6］提出了一種結(jié)合CFD 計(jì)算優(yōu)化三維軸流風(fēng)扇葉片的綜合方法，該方法借助CFD 方法對(duì)葉片性能進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，然后對(duì)葉片進(jìn)行改進(jìn).萬福通過CFD 方法對(duì)軸流通風(fēng)機(jī)葉片的流場(chǎng)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的數(shù)值模擬，得到了流場(chǎng)的特性參數(shù)，提出了對(duì)葉型的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性［7］;鄭劍飛對(duì)低壓大流量通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了葉片不同周向彎曲對(duì)其氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響的原因，并提出降低其通流損失是降低通風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失的一個(gè)有效辦法［8］;齊學(xué)義等依據(jù)CFD 結(jié)果對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片由翼展中部至輪緣處的翼型進(jìn)行優(yōu)化，遵循三階貝塞爾曲線的規(guī)律進(jìn)行修型并增大葉片安放角，修型后的轉(zhuǎn)輪經(jīng)模擬計(jì)算結(jié)果表明其效率有較大提高［9］.

本文采用數(shù)值模擬分析方法，用Fluent 軟件對(duì)某汽輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻風(fēng)扇在流量為25 m3/s工況的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，了解其內(nèi)部流場(chǎng)分布情況;以三階貝塞爾曲線為葉片型線約束，通過改變?nèi)~片安放角和葉片扭轉(zhuǎn)角來獲取風(fēng)扇性能與葉片安放角和葉片扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，以效率最高點(diǎn)附近的葉片參數(shù)進(jìn)行修型并通過CFD 驗(yàn)證，通過修型使軸流風(fēng)扇的效率得到了明顯提高.

1 理論計(jì)算方法

選取有應(yīng)用背景的優(yōu)秀原型葉片是軸流風(fēng)機(jī)的CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文研究的原始模型由哈爾濱大電機(jī)研究所提供，轉(zhuǎn)動(dòng)部件包括風(fēng)扇葉片和前導(dǎo)葉，如圖1 所示.

圖1 軸流風(fēng)扇初始幾何模型轉(zhuǎn)動(dòng)部分

初始模型葉片尺寸和運(yùn)行條件見表1.

表1 初始模型尺寸和運(yùn)行條件

1.1 計(jì)算區(qū)域定義

本文計(jì)算區(qū)域?yàn)榘L(fēng)扇進(jìn)口段、導(dǎo)葉段、葉輪段和出口段在內(nèi)的主流區(qū)域(如圖2 所示)，采用適用性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)，針對(duì)葉輪部分空間復(fù)雜的特點(diǎn)，采用網(wǎng)格大小為10劃分網(wǎng)格，進(jìn)口段和出口段采用尺寸函數(shù)(Size Function)由葉輪區(qū)域到邊界網(wǎng)格逐漸變疏劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為125×104，各部分網(wǎng)格數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示.

針對(duì)軸流風(fēng)扇內(nèi)部三維粘性湍流的流動(dòng)特點(diǎn)，本文采用不可壓縮流體雷諾平均N-S 方程:

圖2 計(jì)算模型示意圖

表2 各部分網(wǎng)格數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 控制方程及邊界條件確定

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型和連續(xù)性方程使雷諾平均方程封閉，該模型對(duì)求解有較大曲率半徑的風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)有較好的適應(yīng)性［10］.

使用速度入口及壓力出口邊界條件.采用多參考系(MRF)模型進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)口與葉輪間、葉輪與出口間的界面設(shè)置為Interface(交界面)，葉輪段轉(zhuǎn)動(dòng)速度為3 000 r/min，應(yīng)用壁面函數(shù)求解近壁區(qū)域的低雷諾數(shù)流動(dòng).

1.3 效率計(jì)算方法

風(fēng)扇的效率為

其中:η 為效率，N 為軸功率，Ne為風(fēng)扇輸出功率，Wi和Wo為進(jìn)、出口流體具有的機(jī)械能，M 為輸出轉(zhuǎn)矩，ω 為風(fēng)扇葉輪轉(zhuǎn)速.

用User Defined Function(用戶自定義函數(shù))訪問求解器，編寫程序?qū)η蠼馄髦械臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理.求解器中包含風(fēng)扇進(jìn)出口每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的壓力和流量值，對(duì)二者的乘積進(jìn)行累加，即可求得進(jìn)、出口流體具有的機(jī)械能.

2 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化

對(duì)原始模型風(fēng)扇葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要獲取原始風(fēng)扇模型的流場(chǎng)參數(shù)并計(jì)算出數(shù)值效率，在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)整葉片參數(shù)來改善風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)特性，本文中這樣的葉片參數(shù)包括葉片安放角和葉片扭轉(zhuǎn)角.計(jì)算不同的葉片安放角和葉片扭轉(zhuǎn)角下的風(fēng)扇流場(chǎng)，得到效率和葉片安放角及葉片扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系，找出效率最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉片安放角和葉片扭轉(zhuǎn)角作為最終優(yōu)化風(fēng)扇模型.

2.1 原模型風(fēng)扇計(jì)算結(jié)果

圖3(a)是原始模型葉片工作面和背壓面的壓力分布圖.從圖上可以看出葉片工作面入口部分壓力梯度較大(圖3 中各組葉片壓力分布圖中由左至右分別對(duì)應(yīng)從葉片入口到葉片出口)，說明在此處有流體的突然折轉(zhuǎn)及撞擊現(xiàn)象，原始模型安放角度不適合當(dāng)前工況;葉片背面低壓區(qū)范圍較小，最低壓力較低，即在較小的降壓范圍出現(xiàn)較大的壓力降低，流動(dòng)狀態(tài)不佳;從圖4(a)葉片周圍的流線分布也可以看到葉片尾部有較嚴(yán)重的流動(dòng)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損失，效率下降.用1.3中的方法對(duì)原型葉片效率進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其計(jì)算效率為54.3%.

圖3 葉片表面壓力分布

圖4 葉片周圍流線分布

2.2 葉片安放角的調(diào)整

圖3 (a)顯示在葉片工作面葉片入口位置有流動(dòng)撞擊現(xiàn)象，據(jù)此應(yīng)調(diào)小葉片安放角.從20.5°到12.5°的范圍內(nèi)每調(diào)小0.5°計(jì)算一次流場(chǎng)及效率，得到效率隨葉片安放角的變化規(guī)律如圖5 所示.從圖5 中可以看出，風(fēng)扇效率隨葉片安放角變化規(guī)律為先增后減，在葉片安放角約為14.5°時(shí)風(fēng)扇效率達(dá)到最大值，最大效率為69.1%，此時(shí)葉片工作面和背壓面的壓力分布圖如圖3(b)所示，葉片工作面上壓力梯度較原始模型更為均勻;葉片背壓面低壓范圍擴(kuò)大且最低壓力較原始模型有所提高，流體沿葉片背面的流動(dòng)性能得到改善.從圖4(b)葉片周圍流線分布也可以看到葉片表面流動(dòng)分離現(xiàn)象減輕.

2.3 葉片的扭轉(zhuǎn)

采用葉片角為14.5°時(shí)的風(fēng)扇葉片繼續(xù)對(duì)葉片扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化.以葉片的中間為基準(zhǔn)，每隔0.2°對(duì)葉片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，對(duì)每個(gè)扭轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇葉片計(jì)算了其流場(chǎng)及效率，得出效率隨葉片扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律如圖6 所示，從圖6 中可以看出:風(fēng)扇效率隨葉片扭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律為先增后減.從葉片底部到葉片頂部共扭轉(zhuǎn)2.2°左右時(shí)，葉片效率可達(dá)到70.1%.葉片扭轉(zhuǎn)2.2°時(shí)，由圖3(c)看到葉片背面最低壓力已提高到-2.5×10-3，由圖4(c)可以看到葉片表面流動(dòng)分離問題進(jìn)一步改善.

通過以上計(jì)算，本文選取葉片安放角為14.5°和葉片扭轉(zhuǎn)角為2.2°時(shí)的風(fēng)扇葉片作為最終優(yōu)化葉片.

圖5 風(fēng)扇效率隨葉片安放角的變化情況

圖6 風(fēng)扇效率隨葉片扭轉(zhuǎn)角度的變化情況

3 結(jié) 論

1)對(duì)葉片安放角進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)葉片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使軸流風(fēng)扇葉輪效率由初始模型的54.3%提高到70.1%;

2)對(duì)初始風(fēng)扇模型進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)扇內(nèi)部流體流動(dòng)狀況得到明顯改善，葉片表面壓力梯度變均勻，葉片背面最低壓力由初始模型的-3.64×10-3提高到-2.23×10-3(相對(duì)壓強(qiáng));

3)葉片調(diào)整后，其葉片表面流動(dòng)狀況得到明顯改善，流動(dòng)分離現(xiàn)象得到有效控制.

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