動葉安裝角異常反向偏離對軸流風(fēng)機性能的影響

葉學(xué)民， 李春曦， 尹 攀

（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實驗室，保定071003）

動葉可調(diào)軸流風(fēng)機作為一種通用流體機械廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、煤炭和礦山等領(lǐng)域.該風(fēng)機的動葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)允許連續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)子的動葉角度以滿足不同工況下的風(fēng)量需求，具有很高的調(diào)節(jié)效率.但部分風(fēng)機的工作環(huán)境非常惡劣，如輸送含有粉塵的兩相介質(zhì)，因粉塵顆粒進(jìn)入調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)引發(fā)卡澀，從而導(dǎo)致風(fēng)機動葉調(diào)節(jié)異常［1］.另外，由于動葉調(diào)節(jié)機構(gòu)精密，動葉的安裝質(zhì)量也是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)非同步調(diào)節(jié)的重要原因之一［2］.

對于此類大型回轉(zhuǎn)機械，現(xiàn)場不僅難以獲取動葉異常偏轉(zhuǎn)時的有效數(shù)據(jù)，而且更難捕獲風(fēng)機的內(nèi)流特征及其細(xì)節(jié).近年來，數(shù)值模擬方法給葉輪機械的研究提供了契機［3］.目前，對軸流風(fēng)機的研究多集中在大型軸流風(fēng)機的失速與喘振現(xiàn)象［2，4］、葉頂間隙處的泄漏流動和泄漏渦特征［5－7］以及低速軸流風(fēng)機的前緣滯流區(qū)特征和后緣尾跡特征［8］.對其噪聲的研究則主要關(guān)注葉頂間隙產(chǎn)生的漩渦與噪聲間的關(guān)系［9］、變工況下葉尖間隙誘發(fā)的噪聲特征［10］及葉片非等間距周向布置時的降噪機理［11］等方面.而對于動葉異常對軸流風(fēng)機性能造成的影響，僅葉學(xué)民等［12－14］模擬分析了動葉安裝角小角度異常、多葉片相鄰和相間時的風(fēng)機內(nèi)流特征和運行性能的變化.

在動葉調(diào)節(jié)過程中，異常動葉偏轉(zhuǎn)方向與正常調(diào)整方向相反（即動葉安裝角出現(xiàn)反向偏離）也是動葉異常偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象之一，這會導(dǎo)致軸流風(fēng)機出力不足，甚至引發(fā)喘振和失速等更大危害.然而，對于兩異常葉片反向偏離時，異常葉片安裝角偏離度和異常葉片間的相位關(guān)系對風(fēng)機性能的影響尚未有文獻(xiàn)進(jìn)行報道.筆者以O(shè)B－84型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機為例，通過研究兩異常葉片反向偏離情形下的風(fēng)機性能曲線及特征截面上的總壓、熵產(chǎn)率和噪聲分布變化，探討異常葉片安裝角偏離度和相位關(guān)系對風(fēng)機性能的影響.

1 數(shù)值計算方法

1.1 幾何模型

以O(shè)B－84型動葉可調(diào)軸流風(fēng)機為研究對象［15］（見圖1），該風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 200r／min，動葉外徑為1 500mm，葉片數(shù)為14，采用NACA翼型葉片；導(dǎo)葉數(shù)為15，動葉與導(dǎo)葉沿周向均勻分布，風(fēng)機輪轂比為0.6，葉頂間隙為5mm.

1.2 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)機整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（圖1），對葉頂間隙處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.模擬中，分別對網(wǎng)格數(shù)為1 96萬、246萬和312萬等情況的模擬結(jié)果與原性能曲線進(jìn)行了比較.結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為246萬時，模擬范圍內(nèi)風(fēng)機全壓和效率的平均偏差分別為1.44%和5.0%，可滿足流場細(xì)節(jié)分析的要求，且有效縮短了計算時間.因此，筆者所進(jìn)行的模擬計算選用246萬網(wǎng)格數(shù)，其中動葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)的網(wǎng)格數(shù)分別為91萬和48萬.

控制方程組采用帶旋流修正的Realizable k－ε湍流模型，該模型適用于旋轉(zhuǎn)流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流等情形［12－14］.以集流器進(jìn)口截面和擴壓器出口截面作為模擬區(qū)域的進(jìn)、出口，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，出口邊界條件為自由出流.

圖1 軸流風(fēng)機結(jié)構(gòu)及計算域網(wǎng)格Fig.1 Structural diagram and grid division of the axial fan

1.3 熵產(chǎn)率計算模型

為考察葉片異常時引起的流動損失變化，采用熵產(chǎn)率分布特征來進(jìn)行分析.風(fēng)機內(nèi)單位體積的熵產(chǎn)率包括黏性耗散引起的熵產(chǎn)率sVD和湍流耗散引起的熵產(chǎn)率sTD［16］：

式中：εij和ε′ij分別為平均流場和脈動流場的變形率張量；μ和T分別為流體的動力黏度和溫度；“－”表示時均值.

因sTD含有速度脈動項而無法直接計算得到，此處采用Kock等［17］的簡化計算模型：

式中：ε為湍流耗散率，m2／s3；ρ為流體密度，kg／m3.

2 計算結(jié)果及分析

為分析兩異常動葉的安裝角偏離度和所處相位變化對風(fēng)機性能的影響，選取兩異常動葉的相位關(guān)系如圖2所示，其中相位關(guān)系分為相間（1號和2號，1號和3號）和相對（1號和4號）等3種情形.安裝角偏離度Δβ選10°、20°和30°，當(dāng)Δβ＝0°時表示葉片安裝角處于正常狀態(tài).取動葉區(qū)出口截面上的總壓分布、中間截面上的熵產(chǎn)率和噪聲分布來分析風(fēng)機周向截面上內(nèi)流特征的變化.

圖2 異常動葉間的相位示意圖Fig.2 Schematic diagram of phases between abnormal blades

2.1 運行性能和內(nèi)流特征的變化

2.1.1 運行性能曲線

圖3和圖4分別給出了兩動葉異常時對風(fēng)機運行性能的影響.由圖3和圖4可知，兩動葉異常時的全壓（p）和效率（η）曲線嚴(yán)重偏離正常值，并且隨Δβ的增大，風(fēng)機全壓和效率均大幅下降，因此，風(fēng)機性能更加惡化.且兩異常葉片間的相位影響在不同Δβ下也有所不同.

由圖3（a）和圖4（a）可知，當(dāng)Δβ＝10°時，全壓維持在2 000Pa以下，異常葉片間的相位變化對全壓和效率的影響程度基本相同，異常葉片為1號和2號時的影響最大，為1號和3號時的影響最小.與原性能曲線相比，最高效率點由設(shè)計流量系數(shù)φ＝0.223移至大流量區(qū)φ＝0.24，且隨流量的增大，效率降幅更大.由圖3（b）和圖4（b）可知，當(dāng)Δβ＝20°時，風(fēng)機全壓和效率進(jìn)一步降低.此時，2種相間關(guān)系的影響大體類似，但1號和2號相位關(guān)系的影響較弱，而異常葉片為相對關(guān)系的影響明顯高于相間關(guān)系，由此對應(yīng)的全壓和效率值明顯低于后者.而受異常葉片影響，最高效率點移至小流量系數(shù)φ＝0.21附近.由圖3（c）和圖4（c）可知，Δβ＝30°時的性能曲線變化與Δβ＝20°時類似，但風(fēng)機性能顯著惡化，此時全壓最大值已降低至正常值的50%以下.值得注意的是，當(dāng)風(fēng)機處于大流量區(qū)φ≥0.25時，異常葉片影響下的風(fēng)機全壓僅為數(shù)百帕，且效率低于50%.尤其相對關(guān)系的異常葉片在φ＝0.27時，其全壓僅為63Pa，效率為3%，此時風(fēng)機的做功能力幾乎喪失，不能起到輸送流體的作用.

圖3 不同Δβ下異常葉片相位對全壓的影響Fig.3 Effects of phase andΔβof abnormal blades on full pressure

圖4 不同Δβ下異常葉片相位對效率的影響Fig.4 Effects of phase andΔβof abnormal blades on fan efficiency

為進(jìn)一步分析異常葉片對風(fēng)機性能的影響程度，表1給出了在設(shè)計流量系數(shù)下，與正常狀態(tài)相比，在異常葉片相位和安裝角偏離度Δβ影響下全壓和效率的相對變化率.由表1可知，在相同Δβ下，隨異常葉片間隔的增大，全壓和效率的相對變化率總體呈增大趨勢，即風(fēng)機全壓和效率總體降低.這是因為隨著異常葉片間隔的增大，單個異常葉片對流場的獨立影響逐漸顯著，對流場原有周向?qū)ΨQ性的破壞逐漸加劇，進(jìn)一步擴大了異常葉片引起的流場畸變對風(fēng)機整體流場的影響區(qū)域（見下文內(nèi)流特征分析）；而且，因異常葉片擾動區(qū)增大，使得邊界層脫離區(qū)作用范圍擴大，造成脫落的渦流與流道內(nèi)的主流相互作用區(qū)域增大，導(dǎo)致風(fēng)機全壓和效率降低.由此導(dǎo)致對異常葉片附近流道和旋轉(zhuǎn)方向下游流道內(nèi)流特征的總體影響逐漸加劇，并造成當(dāng)?shù)亓鲃訐p失增大，且由表1可知，隨著Δβ的增大，該不利影響更為突出.

表1 全壓和效率的相對變化率Tab.1 Relative variation of full pressure and efficiency%

2.1.2 總壓分布

風(fēng)機通常在設(shè)計工況下運行，因此，針對設(shè)計工況分析葉片安裝角正常時的風(fēng)機內(nèi)流特征，并比較異常葉片相位和Δβ對風(fēng)機性能的影響.圖5為葉片安裝角正常時動葉出口截面上的總壓分布，由圖5可知，總壓在周向上總體呈周期性對稱分布，而徑向上總壓的高壓區(qū)集中在葉高中上部，這也是葉片對氣流做功、總壓得以提高的主要區(qū)域［13，18］.

圖5 正常工況下出口截面上的總壓分布Fig.5 Total pressure contour on outlet cross section under normal condition

受葉輪旋轉(zhuǎn)影響，在相鄰葉片間的流道內(nèi)也形成明顯的高壓區(qū).圖6～圖8給出了相位關(guān)系和安裝角偏離度Δβ對出口截面總壓的影響.由圖6～圖8可知，異常葉片不僅改變了總壓周向分布的對稱性，而且不同相位和Δβ下的總壓分布形態(tài)也明顯不同.當(dāng)Δβ＝10°時（圖6），異常葉片為1號和2號、1號和4號時在異常葉片附近出現(xiàn)了相對低壓區(qū)（總壓低于1 400Pa），而葉片異常為1號和3號時則出現(xiàn)多處高壓區(qū)（總壓高于3 400Pa）.因此，相位為1號和3號時對應(yīng)的風(fēng)機全壓較高，這與圖3（a）所得結(jié)論一致.

圖6 Δβ＝10°時出口截面上的總壓分布Fig.6 Total pressure contours on outlet cross section atΔβ＝10°

當(dāng)Δβ＝20°時（圖7），低壓區(qū)范圍進(jìn)一步擴大.異常葉片為1號和2號時，在葉根區(qū)產(chǎn)生帶狀低壓區(qū)，沿旋轉(zhuǎn)方向擴展至葉高中部.當(dāng)異常葉片為1號和3號時，低壓范圍由葉根區(qū)擴大至下游流道的葉頂區(qū)，形成覆蓋整個流道的低壓帶.當(dāng)異常葉片為1號和4號時，形成基本對稱的總壓分布，其低壓區(qū)也延續(xù)至異常葉片下游流道的葉頂區(qū).對比圖7中各圖可知，相間異常葉片對內(nèi)流特征的影響有疊加效應(yīng)，而相對異常葉片的影響范圍有限，因而其總壓基本呈對稱分布.

當(dāng)Δβ＝30°時（圖8），葉片安裝角偏離度進(jìn)一步增大，且與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，因而造成內(nèi)流特征的顯著惡化，嚴(yán)重影響風(fēng)機的整體性能.因此，低壓區(qū)總壓數(shù)值進(jìn)一步降低，范圍擴大至覆蓋異常葉片下游的多個流道.其中，相對關(guān)系時的低壓區(qū)變化最為顯著，影響范圍也增大至下游多個流道的大部分區(qū)域，這一影響與宏觀上風(fēng)機全壓和效率顯著降低的結(jié)論一致（圖3（c）和圖4（c））.另外，除異常葉片為1號和3號時的總壓分布有局部高壓區(qū)出現(xiàn)外，其余2種情形對內(nèi)流特征的影響主要表現(xiàn)為低壓區(qū)的變化，且周向大部分區(qū)域均受異常葉片的影響.

圖7 Δβ＝20°時出口截面上的總壓分布Fig.7 Total pressure contours on outlet cross section atΔβ＝20°

圖8 Δβ＝30°時出口截面上的總壓分布Fig.8 Total pressure contours on outlet cross section atΔβ＝30°

2.1.3 熵產(chǎn)率分布

熵產(chǎn)率可用于描述流場中能量損失的當(dāng)?shù)丶?xì)節(jié)特征，從而反映該過程的不可逆程度［16－17］.取動葉區(qū)中間截面上的熵產(chǎn)率分布作為其平均變化來研究徑向和軸向上的內(nèi)流損失.圖9為設(shè)計流量系數(shù)下動葉正常時中間截面上的熵產(chǎn)率分布.由圖9可知，該情形下的熵產(chǎn)率分布具有極好的周向?qū)ΨQ性，且絕大部分區(qū)域的熵產(chǎn)率均低于50W／（m3·K），僅在葉片頂部的極小區(qū)域存在稍大的熵產(chǎn)率區(qū)，這與葉頂存在的泄漏損失有關(guān)［4－6，19］.

圖9 正常工況下中間截面上的熵產(chǎn)率分布Fig.9 Contour of entropy generation rate on middle cross section under normal condition

由總壓分布變化可知，因動葉異常導(dǎo)致風(fēng)機內(nèi)流特征出現(xiàn)明顯紊亂現(xiàn)象，風(fēng)機內(nèi)部熵產(chǎn)增加，并導(dǎo)致風(fēng)機效率降低.圖10～圖12分別為Δβ＝10°、Δβ＝20°和Δβ＝30°時中間截面上的熵產(chǎn)率分布.當(dāng)Δβ＝10°時，中間截面上的整體熵產(chǎn)率變化不大，與圖9類似，高熵產(chǎn)率區(qū)仍集中在葉頂處的狹小區(qū)域；其他高熵產(chǎn)率區(qū)則零散地分布于異常葉片下游的葉高中部區(qū)域，此時風(fēng)機的內(nèi)流損失相對較小，這與此時風(fēng)機效率降低幅度不大的結(jié)論一致.

當(dāng)Δβ＝20°時，高熵產(chǎn)率區(qū)大幅增加，且數(shù)值明顯增大，這與圖4（b）中風(fēng)機效率顯著降低的結(jié)果相符.因異常葉片反向偏離方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，使得進(jìn)入異常葉片所在流道內(nèi)的流體被排擠到旋轉(zhuǎn)方向的上游流道，造成上游流道的內(nèi)流損失增大，因而此處的熵產(chǎn)率較高，并出現(xiàn)覆蓋整個流道的高熵產(chǎn)率區(qū)，如2號和3號葉片.而且受旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響，1號和2號異常葉片間耗散和內(nèi)流損失的疊加作用有所減小，因而2號葉片上游的熵產(chǎn)率有所減小（與圖11（b）和圖11（c）相比）.隨著異常葉片間距的增加，該疊加作用逐漸減弱，異常葉片為1號和4號時，由異常葉片引起的高熵產(chǎn)率區(qū)互不干擾，呈對稱分布.當(dāng)Δβ＝30°時，異常葉片附近的內(nèi)流損失進(jìn)一步增大，由此造成的高熵產(chǎn)率區(qū)在數(shù)值和范圍上均大幅增大，因而導(dǎo)致風(fēng)機效率急劇降低（圖4（c））.其中，相間關(guān)系的異常葉片導(dǎo)致高熵產(chǎn)率區(qū)幾乎充滿了兩葉片間的流道和上游流道的大部分區(qū)域.

圖10 Δβ＝10°時中間截面上的熵產(chǎn)率分布Fig.1 0 Contours of entropy generation rate on middle cross section atΔβ＝10°

圖11 Δβ＝20°時中間截面上的熵產(chǎn)率分布Fig.1 1 Contours of entropy generation rate on middle cross section atΔβ＝20°

圖12 Δβ＝30°時中間截面上的熵產(chǎn)率分布Fig.1 2 Contours of entropy generation rate on middle cross section atΔβ＝30°

2.2 噪聲特征

異常葉片的另一重要影響表現(xiàn)為風(fēng)機噪聲的變化，圖13為采用Realizable k－ε模型得到的不同情形下的最大聲功率級Lw.由圖13可知，在正常狀態(tài)下，風(fēng)機的Lw隨流量系數(shù)的增大而增大.當(dāng)Δβ＝10°時，異常葉片并未改變聲功率級的總體變化趨勢，但異常葉片導(dǎo)致各流量系數(shù)下的Lw整體增大，且異常葉片為1號和2號時的Lw增大幅度最為明顯.當(dāng)Δβ＝20°時，與Δβ＝10°時相比，異常葉片為1號和2號時Lw的變化不大，但另外2種異常工況下Lw變化非常顯著，在模擬流量系數(shù)范圍內(nèi)Lw保持在145dB的高噪聲等級.當(dāng)Δβ＝30°時，異常葉片為1號和3號時對應(yīng)的Lw相對較大，3種異常工況下的噪聲等級總體處于130～140dB.

圖13 不同相位和Δβ下噪聲的數(shù)值預(yù)估Fig.1 3 Numerical prediction of noise at different phases andΔβ

圖14 正常工況下中間截面的聲功率級分布Fig.1 4 Contour of acoustic source power level on middle cross section under normal condition

圖15 Δβ＝10°時中間截面上的聲功率級分布Fig.1 5 Contours of acoustic source power level on middle cross section atΔβ＝10°

圖14為設(shè)計流量系數(shù)下動葉區(qū)中間截面上的聲功率級分布.由圖14可知，葉片正常時其聲功率級呈周期性對稱分布，相鄰葉片間的中部存在一顯著且范圍較大的低噪?yún)^(qū)，受流體與葉片相互作用及葉片表面上邊界層分離的影響，葉片表面附近的噪聲高于相鄰葉片流道間的噪聲，最大噪聲源位于葉頂間隙處的微小區(qū)域，其值約為90dB，這與葉頂處泄漏損失的影響密切相關(guān)［4－6，18－19］.

受葉輪旋轉(zhuǎn)和異常葉片影響，各流道內(nèi)的氣流具有非均勻性，當(dāng)非均勻氣流周期地作用于周圍介質(zhì)時，將產(chǎn)生壓力脈動，進(jìn)而增大噪聲.異常葉片對風(fēng)機聲功率級分布的影響見圖15～圖17.從圖15～圖17可以看出，隨著Δβ的增大，對應(yīng)的高聲功率級區(qū)變大.當(dāng)Δβ＝10°時，異常葉片的總體影響較小，并主要集中在異常葉片附近，此時異常葉片為1號和2號時對噪聲的影響較為突出，在兩異常葉片間形成1個明顯的高噪?yún)^(qū)，因此其對應(yīng)的噪聲等級較高，這與圖13（a）反映的結(jié)果一致.

當(dāng)Δβ＝20°時（圖16），中間截面上的整體聲功率級的值和范圍均進(jìn)一步增大.其中，相間關(guān)系的兩異常葉片間產(chǎn)生聲功率級達(dá)到100dB的高噪聲區(qū)，而相對關(guān)系的異常葉片在其上下游流道均產(chǎn)生明顯的高噪聲區(qū).當(dāng)Δβ＝30°時（圖17），異常葉片附近達(dá)到100dB的高噪聲區(qū)顯著增加，并演變?yōu)楦采w上下游多個流道的高噪聲帶.與內(nèi)流特征類似，當(dāng)兩異常葉片距離較近時，高噪聲區(qū)表現(xiàn)出一定的疊加性，而異常葉片為1號和4號時，其影響被限制在上下游流道的有限區(qū)域內(nèi).

圖16 Δβ＝20°時中間截面上的聲功率級分布Fig.1 6 Contours of acoustic source power level on middle cross section atΔβ＝20°

圖17 Δβ＝30°時中間截面上的聲功率級分布Fig.1 7 Contours of acoustic source power level on middle cross section atΔβ＝30°

3 結(jié) 論

（1）兩動葉異常反向偏離時，風(fēng)機全壓和效率曲線會嚴(yán)重偏離正常值，且隨著安裝角偏離度Δβ的增大，風(fēng)機性能顯著下降，兩異常葉片間的相位影響在不同Δβ下也有所不同.當(dāng)Δβ＝30°、φ≥0.25時，異常葉片影響下的全壓僅為數(shù)百帕，效率低于50%.異常葉片使各流量系數(shù)下的最大聲功率級Lw整體增大，且Δβ＝20°，異常葉片為1號和3號、1號和4號時的噪聲增大最為明顯，其對應(yīng)的Lw保持在145dB左右.

（2）異常葉片改變了風(fēng)機內(nèi)流特征，不同的異常葉片相位關(guān)系和安裝角偏離度對特征截面上的總壓、熵產(chǎn)率和聲功率級分布具有不同的影響.總體上，相間關(guān)系的異常葉片對內(nèi)流特征的影響有疊加效應(yīng)，相對關(guān)系的異常葉片對其附近及下游流場的影響基本對稱.隨著Δβ的增大，異常葉片的影響逐漸顯著，衍生出以范圍更大的低壓區(qū)、高熵產(chǎn)率區(qū)和高噪聲區(qū)為特點的內(nèi)流特征變化.

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