動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)葉片切割前后的性能研究

丁學(xué)亮，葉學(xué)民，李春曦

(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 0 71003)

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)葉片切割前后的性能研究

丁學(xué)亮，葉學(xué)民，李春曦

(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 0 71003)

以O(shè)B-84型動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)為對(duì)象，采用Fluent軟件對(duì)葉片安裝角為29°、32°和35°在5%、10%和15%切割量時(shí)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了不同情形下的風(fēng)機(jī)性能曲線，分析了安裝角和切割量對(duì)風(fēng)機(jī)性能和內(nèi)流特性的影響。結(jié)果表明:在同一安裝角下，風(fēng)機(jī)全壓和效率隨切割量增大而減小、且葉頂流動(dòng)損失變大，整機(jī)熵產(chǎn)增加;在同一切割量下，全壓隨安裝角增加而提高，效率最高值向大流量側(cè)移動(dòng);所得葉片切割前后運(yùn)行工況點(diǎn)的關(guān)系式可為葉片實(shí)際切割提供理論依據(jù)。

動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī);安裝角;葉片切割;內(nèi)流特性

0 引言

風(fēng)機(jī)作為電力生產(chǎn)過程的重要輔機(jī)，其耗電量約占廠用電量的30%，由風(fēng)機(jī)故障而引起停機(jī)、停爐的事故多發(fā)，由此造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。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)多采用軸流式風(fēng)機(jī)，其中動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)因其高性能而日益受到廣泛應(yīng)用。在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，改變?nèi)~片安裝角可使風(fēng)機(jī)快速達(dá)到實(shí)際所需要的流量和全壓;在滿足實(shí)際需求的前提下，葉片切割可使風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)效率處于高效區(qū)。因此，深入研究風(fēng)機(jī)葉片切割后在不同安裝角下風(fēng)機(jī)運(yùn)行的氣動(dòng)特性有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

目前，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的研究大多單獨(dú)研究葉頂間隙［1～3］或安裝角［4～6］對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響以及風(fēng)機(jī)節(jié)能改造［7～9］。針對(duì)某軸流風(fēng)機(jī)，呂峰和趙燕杰［10］對(duì)葉頂切割量為15%、30%、45%和57%時(shí)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同情形下的風(fēng)機(jī)性能曲線，并進(jìn)行分析。王軍等［11］基于動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，研究了葉頂間隙對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)和和全壓的影響。李春曦等［12，13］研究了軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉安裝角非同步調(diào)節(jié)下的氣動(dòng)特性，分析了安裝角異常對(duì)風(fēng)機(jī)性能和噪聲的影響。

而對(duì)于在不同安裝角下葉片切割后風(fēng)機(jī)性能的研究尚不完善，為探討該情形下風(fēng)機(jī)內(nèi)流特性的變化機(jī)理，本文采用Fluent軟件對(duì)OB-84型動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行三維數(shù)值模擬，進(jìn)而研究不同安裝角下對(duì)葉片不同切割量后的全壓、效率和內(nèi)流特征變化。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

以O(shè)B-84型帶后置導(dǎo)葉的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)模型為對(duì)象。該風(fēng)機(jī)有14片動(dòng)葉、15片導(dǎo)葉，基元翼型為NACA對(duì)稱翼型，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。風(fēng)機(jī)切割前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中D0為原風(fēng)機(jī)葉輪直徑，D1為葉片切割后葉輪直徑，d為風(fēng)機(jī)的輪轂直徑。

1.2 網(wǎng)格劃分

應(yīng)用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取分區(qū)和局部加密劃分方法，將計(jì)算域分成集流器、動(dòng)葉、導(dǎo)葉和擴(kuò)壓器等四部分，如圖1所示。風(fēng)機(jī)劃分網(wǎng)格后總計(jì)單元數(shù)約為235萬，其中動(dòng)葉區(qū)約為136萬，網(wǎng)格數(shù)量經(jīng)過多次選擇，確保網(wǎng)格數(shù)目與計(jì)算結(jié)果的無關(guān)性，滿足精度和時(shí)長(zhǎng)要求。

表1 風(fēng)機(jī)切割前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 OB-84型軸流式風(fēng)機(jī)整機(jī)計(jì)算域

1.3 計(jì)算模型及邊界條件

控制方程組采用Realizable k－ε湍流模型，該模型可有效解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)分離，二次流及回流等情形，適合該模型的計(jì)算［14］。計(jì)算中，將集流器進(jìn)口截面和擴(kuò)壓器出口截面作為模擬區(qū)的進(jìn)、出口，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，出口為自由出流條件。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 性能曲線

本文先對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，在模擬計(jì)算流量范圍 (33m3/s≤qv≤47 m3/s)內(nèi)，所得全壓和效率與文獻(xiàn)［15］中性能曲線相比，偏差分別為1.6%和5.8%，因此文中數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

圖2為安裝角β為29°、32°和35°時(shí)不同切割量下的全壓性能曲線 (文中β為動(dòng)葉安裝角度，Δ為切割葉片量占葉片總長(zhǎng)度的百分比)。該圖表明，β=29°和β=32°時(shí)全壓隨流量增加而減小，但并未改變?nèi)珘呵€的總體趨勢(shì);在β=35°下，Δ=0%和Δ=5%對(duì)應(yīng)的全壓曲線出現(xiàn)較大“駝峰”區(qū)，在β=29°下Δ=5%、β=32°下Δ=5%、β=32°下Δ=10%和β=35°下Δ=10%時(shí)出現(xiàn)輕微“駝峰”區(qū)，上述變化將使風(fēng)機(jī)在小流量下運(yùn)行時(shí)進(jìn)入喘振區(qū)。另外，在同一安裝角下，全壓曲線隨切割量增加均下移，且在小流量區(qū)下降顯著，而在大流量區(qū)下降幅度較小。切割量不變時(shí)(qv≥37 m3/s)，全壓隨安裝角增加而提高，各個(gè)流量區(qū)域的全壓隨安裝角增加而提高的幅度大體相似。

圖2 β=29°、β=32°和 β=35°全壓性能曲線

圖3為安裝角β為29°、32°和35°時(shí)不同切割量下的效率性能曲線。由圖可知，隨切割量增加，風(fēng)機(jī)效率逐漸減小，不同安裝角隨切割量增加效率下降的幅度有所不同，其中安裝角越大，效率下降幅度反而減小。相同切割量下，效率最高點(diǎn)位置隨安裝角增加向流量增大方向移動(dòng)?？梢?，安裝角不同時(shí)風(fēng)機(jī)的高效區(qū)處于不同的流量范圍:葉片未切割時(shí)，β=29°時(shí)高效區(qū)在小流量區(qū) (qv～33.29 m3/s)，β=32°時(shí)高效區(qū)位于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近，β=35°時(shí)高效區(qū)在大流量區(qū) (qv～41.61 m3/s)。因此，可根據(jù)實(shí)際流量調(diào)節(jié)葉片安裝角使風(fēng)機(jī)處于高效區(qū)。通過上述分析可知，風(fēng)機(jī)在不同流量區(qū)運(yùn)行時(shí)，可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行葉片切割及改變動(dòng)葉安裝角使風(fēng)機(jī)在滿足全壓需求的同時(shí)效率最高。

圖3 β=29°、β=32°和 β=35°效率性能曲線

2.2 渦流損失

在葉輪流道內(nèi)，壓力面的壓力高于吸力面，該壓差使氣流有從壓力面向吸力面流動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)由于葉輪旋轉(zhuǎn)氣流在吸力面附近受到離心力作用，迫使氣流從吸力面向壓力面流動(dòng)。由于壓差產(chǎn)生的推動(dòng)力與離心力相平衡，流道內(nèi)氣流沒有橫向運(yùn)動(dòng)。而在流道頂部和底部受邊界層的影響，壓力面與吸力面的壓差并未平衡，氣流將從壓力面向相鄰葉片吸力面流動(dòng)，形成泄漏渦，造成能量損失。

圖4為設(shè)計(jì)工況下動(dòng)葉流道子午面上的渦流分布。如圖4a～4d所示，隨切割量增加，泄漏渦渦核逐漸向輪轂方向移動(dòng)，且泄漏渦對(duì)主流的影響變大導(dǎo)致?lián)p失增加，由此導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓和效率性能下降。這是因?yàn)榍懈盍吭黾尤~頂間隙變大，葉頂?shù)男孤┝鲃?dòng)增加使泄漏渦擴(kuò)大，所占流道面積變大，因而渦流損失增加。如圖4a、4e、4f所示，泄漏渦渦核的位置不隨安裝角改變而發(fā)生變化，均處于流道頂部。不同安裝角下的渦量為395.17 s－1、491.88 s－1和 585.37 s－1，β =32°和 β=35°的平均渦量比較大，其原因是因?yàn)樵谌~根處也存在泄漏渦。另外，風(fēng)機(jī)性能曲線中β=32°對(duì)應(yīng)的全壓和效率大于β=29°情形下，這是由于β=29°下的沖擊損失更為顯著。

圖5為大流量工況下動(dòng)葉流道子午面上的渦流分布 (qv=46.61 m3/s)。與設(shè)計(jì)工況相比，渦核位置變化規(guī)律相似，但泄漏渦影響范圍均有所增大。不同切割量下，渦量分別為421.08 s－1，415.36 s－1，409.87 s－1，406.39 s－1。可見大流量工況下渦量隨切割量增加而減小，但減小幅度不大。因此，在大流量區(qū)，不同切割量下的全壓和效率相差不大，這與風(fēng)機(jī)性能曲線是相符。另外，在不同安裝角下，大流量工況下渦量分別為421.08 s－1，443.70 s－1，470.83 s－1，與設(shè)計(jì)工況相比，β=29°下的渦量增加，而β=32°和β=35°下的渦量減小。這與效率曲線中β=29°時(shí)的效率持續(xù)減小，而β=32°和β=35°時(shí)呈先增后減的趨勢(shì)相符合。

圖4 設(shè)計(jì)工況下動(dòng)葉通道子午面上的渦量分布

圖5 大流量下動(dòng)葉通道子午面上的渦量分布

2.3 整機(jī)熵產(chǎn)率

熵產(chǎn)率可以反映風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)過程中的不可逆能量損失，風(fēng)機(jī)內(nèi)的總熵產(chǎn)率S包括由粘性耗散和湍流耗散引起的熵產(chǎn)率 SVD、STD，其表達(dá)式為

式中:εij和 ε'ij分別為平均流場(chǎng)和脈動(dòng)流場(chǎng)的變形率張量，s－2;V為體積，m3;μ為流體動(dòng)力粘度，kg/m·s－1;T為溫度，K;符號(hào)上的“－”表示時(shí)均值。

因STD含有速度脈動(dòng)項(xiàng)而無法直接計(jì)算，為此假設(shè)其與湍流散率ε和溫度有關(guān)，故其表達(dá)式為

圖6為設(shè)計(jì)工況下不同切割量風(fēng)機(jī)整機(jī)熵產(chǎn)率分布。葉片未切割時(shí)，高熵產(chǎn)率集中在動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)，最大值出現(xiàn)在動(dòng)葉區(qū)流道頂部和底部，而集流器區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)絕大部分熵產(chǎn)率均較小。這是因?yàn)榱黧w在動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)流動(dòng)方向顯著變化會(huì)產(chǎn)生撞擊損失，且在葉片表面出現(xiàn)邊界層分離、二次流及漩渦流動(dòng)現(xiàn)象，由此造成損失顯著，所以熵產(chǎn)率比較高;而集流器區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)具有良好的流線外型，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)局部損失很小，因此熵產(chǎn)率較低。

從圖6可知，整機(jī)熵產(chǎn)率隨切割量增加而增大，說明能量損失增大，這與全壓曲線中全壓隨切割量增大而減小相符。Δ=5%時(shí)，動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)頂部的高熵產(chǎn)率區(qū)變大，而且可觀察到擴(kuò)壓器區(qū)入口部分熵產(chǎn)增大。Δ=10%和Δ=15%時(shí)，動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)高熵產(chǎn)率區(qū)范圍變化不大，在導(dǎo)葉區(qū)出現(xiàn)最大熵產(chǎn)率值，擴(kuò)壓器區(qū)熵產(chǎn)率進(jìn)一步提高，高熵產(chǎn)率范圍逐漸向出口方向擴(kuò)大，且占據(jù)流道的范圍也逐漸變大。上述特征表明葉片切割不僅影響動(dòng)葉區(qū)，使動(dòng)葉區(qū)能量損失增加、全壓減小，而且還造成導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)的熵產(chǎn)增加。究其原因，是因?yàn)槿~片進(jìn)行切割后，動(dòng)葉片的做功能力下降，流體在動(dòng)葉區(qū)的流態(tài)發(fā)生改變;氣流進(jìn)入導(dǎo)葉時(shí)，在導(dǎo)葉區(qū)內(nèi)的撞擊損失、二次流和漩渦流動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，甚至擴(kuò)大到擴(kuò)壓器區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)熵產(chǎn)增加。

圖6 風(fēng)機(jī)整機(jī)熵產(chǎn)率分布

2.4 運(yùn)行工況點(diǎn)

選取4條不同管路特性曲線進(jìn)一步研究葉片切割對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的影響。通常，風(fēng)機(jī)管路特性曲線為過原點(diǎn)拋物線，即p=φqv2(φ為綜合阻力常數(shù))。選取φ=1.09，0.93，0.78和0.65，可得不同管路特性曲線與風(fēng)機(jī)性能曲線交點(diǎn)，即運(yùn)行工況點(diǎn)。表2為不同安裝角下葉片切割后，風(fēng)機(jī)處于不同管路特性曲線的運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可得不同安裝角下葉片切割后流量和全壓與葉輪直徑的關(guān)系，如圖7所示。圖中:p0和D0為風(fēng)機(jī)未切割時(shí)運(yùn)行參數(shù)。該圖表明，不同管路特性曲線下，ln(qv0/qv1)和ln(p0/p1)曲線近似為平行的直線，但不同安裝角下斜率有所不同。圖中直線斜率為流量比、全壓比與D0/D1對(duì)應(yīng)的指數(shù)，可取斜率平均值，由此得到不同安裝角下流量、全壓與切割量間的關(guān)系式，如式 (1)～(3)所示。由式 (1)～(3)可知，即隨安裝角增大，指數(shù)有所增大，從而對(duì)運(yùn)行工況點(diǎn)的影響程度有所差異。由于式(1)～(3)是針對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，而不是切割前后的對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)，因此，可為軸流風(fēng)機(jī)的葉片切割現(xiàn)場(chǎng)改造提供理論依據(jù)。

表2 不同安裝角及不同切割量的運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)

圖7 葉片切割后ln(p0/p)和ln(D0/D1)的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)安裝角不變時(shí)，全壓和效率曲線隨切割量增加均有不同程度下移，切割量越大下移愈加明顯，性能曲線下移幅度隨流量增加而減小;隨切割量增大，葉頂泄漏損失增加，葉頂泄漏形成泄漏渦逐漸由葉頂向中部移動(dòng);動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)的熵產(chǎn)較大，且隨切割量增加整機(jī)熵產(chǎn)變大。

(2)切割量不變時(shí)，風(fēng)機(jī)總壓隨安裝角增大而提高，效率最高值逐漸向大流量側(cè)移動(dòng);不同安裝角下泄漏渦位置變化不明顯，影響泄漏渦位置的主要因素是葉頂間隙。

(3)得到了不同安裝角下，葉片切割前后運(yùn)行工況點(diǎn)ln(qv0/qv1)和ln(p0/p1)與ln(D0/D1)的關(guān)系式，可為現(xiàn)場(chǎng)葉片切割提供理論依據(jù)。

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Investigation on Performance of a Variable-pitch Axial Fan before and after Blade Trimming

Ding Xueliang，Ye Xuemin，LI Chunxi
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

The variable-pitch axial fan of OB-84 type with relative blade trimming quantity of 5%，10%and 15%，installation angle of 29°，32°and 35°is simulated by fluent．The performance cures are acquired and the effects of blade trimming quantity and installation angle on internal dynamics and operating performance are investigated．The results show that the fan full pressure and efficiency reduce with increasing blade trimming quantity at the same installation angle，and flow loss of tip clearance is deteriorated．Meanwhile，entropy production of the fan tends to be augmented with the increase of trimming quantity．The full pressure and efficiency augments with increasing installation angle at the same blade trimming quantity，and the corresponding flow rate to the maximum efficiency moves to the direction of large flow rate．The formulas of operating points before and after blade trimming are presented and they provide a theoretical guidance for blade trimming in practice．

variable-pitch axial flow fan;installation angle;blade trimming;internal dynamics

F273.4

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.007

2015－01－19。

丁學(xué)亮 (1990-)，男，碩士研究生，主要從事流體力學(xué)及流體機(jī)械等方面的研究，E-mail:Dingxuelianga@163．com。