第一級導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對動葉可調(diào)軸流風(fēng)機性能影響的研究

王靜毅，童家麟，劉文勝，周 飛，閆廷慶，葉學(xué)民

（1.浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；4.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；5.浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

0 引言

隨著電站機組容量的不斷增加和增設(shè)脫硫脫硝系統(tǒng)，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機以其大流量和高調(diào)節(jié)效率等優(yōu)點成為送、引風(fēng)機和一次風(fēng)機的首選。風(fēng)機耗電量約占廠用電總量的25%～30%，因此對風(fēng)機進(jìn)行節(jié)能改造，提高整體性能有利于降低其廠耗電量。對于兩級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，導(dǎo)葉起到改善內(nèi)流特征、提高能量轉(zhuǎn)換效率的重要作用，其結(jié)構(gòu)形式可改變上下游動葉區(qū)的做功能力[1-3]，進(jìn)而影響整個葉輪機械的效率，因此深入研究導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對于風(fēng)機性能影響具有重要的現(xiàn)實意義和參考價值。

目前，針對導(dǎo)葉數(shù)目對于流體機械性能的影響已開展了研究，郭楚等[4]通過數(shù)值計算研究了導(dǎo)葉數(shù)對于低揚程軸流泵的影響，指出當(dāng)泵的葉輪數(shù)不變時，增加其導(dǎo)葉數(shù)將使導(dǎo)葉水力損失增加，從而導(dǎo)致泵的整體效率下降；柴立平等[5]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉數(shù)對多級離心泵反轉(zhuǎn)式透平的性能有一定影響，導(dǎo)葉數(shù)目越少，裝置內(nèi)的流動更為均勻；劉宏凱等[6]通過改變兩級動葉可調(diào)風(fēng)機兩級導(dǎo)葉數(shù)目，發(fā)現(xiàn)減少導(dǎo)葉數(shù)方案明顯優(yōu)于增加導(dǎo)葉數(shù)目方案；楊從新等[7]得到了核主泵葉輪與導(dǎo)葉數(shù)間的匹配關(guān)系，即導(dǎo)葉數(shù)為動葉數(shù)的2 倍左右且兩者數(shù)目互質(zhì)時，泵裝置的性能達(dá)到最優(yōu)。在導(dǎo)葉位置方面，陳得勝等[8]發(fā)現(xiàn)后導(dǎo)葉負(fù)向偏轉(zhuǎn)性能優(yōu)于后導(dǎo)葉正向偏轉(zhuǎn)性能；程效銳等[9]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉徑向位置可顯著影響潛水泵的性能，當(dāng)徑向長度增至一定長度時可減少流動損失，提高泵效率，反之則降低泵效率；郭豹等[10]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉周向設(shè)計相對位置角α 的變化對于泵能量性能有很大影響，當(dāng)α=0 時能使離心泵長期安全運行；馬希金等[11]模擬了不同導(dǎo)葉位置與效率間的關(guān)系，給出了效率最高時復(fù)合導(dǎo)葉的安放位置；葉學(xué)民等[12]分析了兩級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的第一級導(dǎo)葉周向和軸向位置對風(fēng)機性能的影響。

上述研究表明，導(dǎo)葉在流體機械能量轉(zhuǎn)換中起著舉足輕重的作用，而目前關(guān)于導(dǎo)葉影響的研究，對于泵和壓氣機主要著眼于探討導(dǎo)葉位置、數(shù)目和結(jié)構(gòu)，對于軸流風(fēng)機則多關(guān)注導(dǎo)葉位置和數(shù)目，而關(guān)于導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對動葉可調(diào)軸流風(fēng)機的影響研究的報道較少。為此，本文針對帶有空心葉片和長短復(fù)合導(dǎo)葉的某兩級動葉可調(diào)風(fēng)機，該導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)不同于文獻(xiàn)[12]所提的長短導(dǎo)葉相間結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建不同于原導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的3 種方案，對比4種情形下的風(fēng)機性能及內(nèi)流特征，獲得提高風(fēng)機性能的導(dǎo)葉優(yōu)化方案，為該類型風(fēng)機的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 計算模型

1.1 模型及參數(shù)

某兩級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，主要參數(shù)如表1 所示。圖1（b）為第一級導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)示意，導(dǎo)葉分為短導(dǎo)葉、長導(dǎo)葉、空心導(dǎo)葉3 種葉型，數(shù)量分別為7，7，3；且長短葉片分布不均勻，如圖1（c）所示，導(dǎo)葉均采用圓弧板形式，長導(dǎo)葉與短導(dǎo)葉厚度一致，僅在長度上有差異，空心導(dǎo)葉與長導(dǎo)葉長度相同，厚度約為長導(dǎo)葉3 倍；第二級導(dǎo)葉分為等長度的短導(dǎo)葉和空心導(dǎo)葉2 種葉型。

表1 軸流風(fēng)機的主要參數(shù)

圖1 兩級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機模型

1.2 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

為探究不同第一級導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式對軸流風(fēng)機性能的影響，構(gòu)建了3 種結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。方案一將所有短導(dǎo)葉變?yōu)殚L導(dǎo)葉，而空心導(dǎo)葉不變；方案二為短導(dǎo)葉不變，所有空心導(dǎo)葉改為長導(dǎo)葉；方案三是所有葉片均為長葉片。

圖2 3 種導(dǎo)葉改造方案

1.3 計算方法及邊界條件

控制方程包括連續(xù)性方程和三維雷諾時均N-S 方程，湍流模型采用對于旋轉(zhuǎn)運動和二次流有高準(zhǔn)確性的Realizable k-ε 模型[13-14]，壓力速度耦合采用Simplec 算法，控制方程中的對流項、擴散項及粘性參數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式離散。選用速度入口，進(jìn)口處的k 和ε 通過經(jīng)驗公式確定，出口條件為自由出流；壁面為無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；動葉區(qū)使用MRF多重參考坐標(biāo)系模型，葉片及輪轂為旋轉(zhuǎn)壁面，其余為靜止壁面，動靜交界面采用Interface 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。模擬中，當(dāng)進(jìn)出口體積流量殘差小于10-5，各方向的速度及k，ε 等參數(shù)的殘差 小于10-4時，認(rèn)為計算達(dá)到收斂。

按照軸向結(jié)構(gòu)分區(qū)劃分網(wǎng)格，動葉區(qū)及靜葉區(qū)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，且對葉片進(jìn)行網(wǎng)格加密，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，分別采用595 萬、684 萬、796 萬、875 萬和987 萬網(wǎng)格進(jìn)行性能計算，如表2 所示。當(dāng)整機網(wǎng)格數(shù)大于796 萬時，效率變化較小，可同時滿足計算時間與精度的要求，為此采用網(wǎng)格數(shù)796 萬，其中靜葉區(qū)366 萬，動葉區(qū)335 萬。將模擬結(jié)果與風(fēng)機樣本比較可知，在所研究流量范圍內(nèi)，全壓和效率的平均誤差分別為3.7%和4.6%，保證了數(shù)值模擬的可靠性。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對風(fēng)機性能的影響

圖3（a）表明，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)改變前后，風(fēng)機全壓均隨流量增加而下降，即導(dǎo)葉形式并不改變?nèi)珘呵€的變化趨勢。與原結(jié)構(gòu)相比，方案一全壓略有減?。环桨付谛×髁糠秶鷥?nèi)全壓有明顯上升，平均提升約4.8%；方案三則在全流量范圍內(nèi)有顯著提升，平均提高約5.2%。即在保留空心葉片的前提下，將短葉片均改為長葉片對于提高風(fēng)機全壓方面并無改善，但將所有葉片均改為長葉片則有明顯提升。圖3（b）表明，與原導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)相比，方案二和方案三的風(fēng)機效率均有不同程度的提升，在研究流量范圍內(nèi)，平均提高分別為2.1%和3.5%。而方案一則有一定程度的下降，約為1.4%。在設(shè)計流量下，與原結(jié)構(gòu)相比，采用方案三的風(fēng)機全壓和效率分別提高3.8%和1.8%。方案三的風(fēng)機性能高于方案二和方案一的原因可能是：將空心葉片改為長葉片后，不僅通流面積增加，降低了流動損失，而且將短葉片改為長葉片后使流動結(jié)構(gòu)更加對稱，從而提高了風(fēng)機性能。

圖3 導(dǎo)葉形式對性能的影響

導(dǎo)葉效率是表明風(fēng)機導(dǎo)葉區(qū)域擴壓能力的參數(shù)[13]，其表達(dá)式為ηg＝ΔPs/ΔPd。其中，ΔPs和ΔPd分別表示導(dǎo)葉進(jìn)口的靜壓升和出口的動壓降，單位為Pa。表3 列出了在設(shè)計流量下，采用不同方案時第一級導(dǎo)葉和第二級導(dǎo)葉的效率（下標(biāo)in 和out 分別表示導(dǎo)葉進(jìn)口和出口）。對比可知，采用方案一時，導(dǎo)葉效率最低，第一、二級導(dǎo)葉效率較原結(jié)構(gòu)分別降低1%和4%；方案二和方案三的第二級導(dǎo)葉效與原結(jié)構(gòu)相同，但第一級導(dǎo)葉效率明顯提高，其中方案三的第一級導(dǎo)葉效率最高，與原結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)葉效率提升7%。

表3 第一級導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式對兩級導(dǎo)葉效率的影響

3 內(nèi)流特征

上述結(jié)果表明，采用方案三，即將所有空心葉片和短葉片均改為長葉片具有最好的風(fēng)機性能提升效果。為分析其內(nèi)在原因，下文對比在設(shè)計流量下原結(jié)構(gòu)和方案三的內(nèi)流特征。

3.1 導(dǎo)葉的總壓分布

圖4—6 給出了原導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)下空心導(dǎo)葉、短導(dǎo)葉和長導(dǎo)葉的總壓分布。對比可知，3 種葉片結(jié)構(gòu)下，前緣葉頂約10%～15%處（區(qū)域A）為整個葉片的總壓最大區(qū)（10 000 Pa），壓強梯度主要沿葉高方向逐漸增加。對于空心葉片（如圖4 所示），壓力面除葉頂處的總壓高于10 000 Pa，前緣上方臨近高壓區(qū)有一總壓最小區(qū)域（圖4 中的區(qū)域B），小于6 100 Pa，其余位置總壓均為7 100 Pa。吸力面的總壓變化較為顯著，沿葉高大概分為3個變化區(qū)，其中在60%葉高以上是為高壓區(qū)，20%～60%葉高區(qū)為中壓區(qū)（6 600～7 600 Pa），20%以下區(qū)域為5 600 Pa 的低壓區(qū)域。

圖4 原結(jié)構(gòu)空心導(dǎo)葉表面總壓分布

圖5 表明，短葉片壓力面在靠近前緣30%葉高處有一低壓區(qū)（區(qū)域C），而在吸力面，低壓區(qū)擴大至從葉根到30%葉高處的整個區(qū)域；在尾緣80%葉高處均存在一個范圍很小的高壓區(qū)，總壓為8 700～9 100 Pa。長葉片與空心葉片的差別主要在厚度上，但其總壓分布卻與空心葉片不同，如圖6 所示，在其吸力面中心葉高位置有一狹長低壓區(qū)（區(qū)域D），從前緣一直延至尾緣。方案三下的葉片均為長葉片，對比原結(jié)構(gòu)中的長葉片，方案三下的葉片總壓整體提高約500 Pa（如圖7所示），壓力面?zhèn)瓤拷熬壍锥说闹懈邏簠^(qū)和吸力面中心葉高處的狹長低壓區(qū)基本消失。

圖5 原結(jié)構(gòu)短導(dǎo)葉表面總壓分布

圖6 原結(jié)構(gòu)長導(dǎo)葉表面總壓分布

圖7 方案三下長導(dǎo)葉表面總壓分布

圖8 對比了原結(jié)構(gòu)和方案三下第二級動葉區(qū)入口處的總壓分布，由此觀察方案三對于動葉區(qū)入口內(nèi)流特征的影響。原結(jié)構(gòu)下的總壓梯度主要沿徑向分布，靠近輪轂處存在明顯的低壓區(qū)（6 500～8 000 Pa），且其范圍占據(jù)約一半的圓周面積；葉頂處則有連續(xù)間隔的橢圓形高壓區(qū)。方案三下，總壓沿葉輪周向分布更加均勻，較高的總壓區(qū)仍集中于葉高中上部，與原結(jié)構(gòu)相比，該區(qū)域的總體提升約500 Pa；位于葉根附件的低壓區(qū)范圍明顯縮小，上述這些變化提高了方案三下的風(fēng)機性能，由此反映了圖3 中氣動性能的變化。

圖8 第二級動葉入口處的總壓分布

3.2 軸向速度分布

軸向速度分布反映了流道內(nèi)的流量分布和流動分離特征[14]。因葉根處葉片厚度最大，易發(fā)生氣流阻塞而增大流動阻力損失，故選取10%和50%葉高截面處的軸向速度進(jìn)行分析[15]，如圖9和圖10 所示。因?qū)~結(jié)構(gòu)的特殊性，原結(jié)構(gòu)下沿周向存在連續(xù)分布的長、短和空心葉片，如圖9（a）所示，在葉片吸力面形成一半橢圓形高速區(qū)，速度高于90 m/s；葉片尾緣速度較小，僅有約50 m/s。在空心葉片吸力面靠近尾緣處有一高壓區(qū)（區(qū)域E），速度大于100 m/s，在50%葉高截面處影響范圍變大，如圖10（a）所示；速度小的流體在空心葉片尾緣積聚，導(dǎo)致了能量損失。此外，與空心葉片相鄰的長葉片吸力面高速區(qū)（區(qū)域F）發(fā)生畸變，軸向速度在圓周方向的變化較大，造成流體擾動，增加了能量損失。圖9（b）和圖10（b）顯示，采用等長的長葉片后，流場畸變得到改善，且葉片尾緣處減少了相鄰葉片流體的摻混，速度分布更加均勻，尾部流動分布更優(yōu)，這也是改造后全壓和效率上升的重要原因之一。

圖9 10%葉高截面處的軸向速度分布

圖10 50%葉高截面處的軸向速度分布

4 結(jié)語

針對某動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)改變前后，風(fēng)機全壓均隨流量增加而下降，即導(dǎo)葉形式并不改變?nèi)珘呵€的變化趨勢。與原結(jié)構(gòu)相比，方案一下的全壓略有減小；方案二在小流量范圍內(nèi)全壓有明顯上升，平均提升約4.8%；方案三則在全流量范圍內(nèi)有顯著提升，平均提高約5.2%。方案二和方案三下的風(fēng)機效率較原結(jié)構(gòu)均有不同程度的提升，方案三效果更佳，設(shè)計工況下提升達(dá)到1.8%。方案三所提導(dǎo)葉改造方案僅適用于本文研究的某兩級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機。

設(shè)計流量下，第一級導(dǎo)葉改造對于第一級導(dǎo)葉效率影響較大，而第二級導(dǎo)葉效率基本無變化；方案三下的第一級導(dǎo)葉效率高于其他情形，與原結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)葉效率提升7%。采用等長的長葉片時，葉片尾緣處減少了相鄰葉片流體的摻混，速度分布更加均勻，尾部流動分布更優(yōu)。

總壓最高區(qū)均位于前緣葉頂10%～15%處，原結(jié)構(gòu)下，長葉片與空心葉片總壓分布不相同，壓強梯度均主要沿葉高方向，但長葉片吸力面中心葉高位置有一狹長低壓區(qū)。與原結(jié)構(gòu)相比，方案三下的葉片總壓提高約500 Pa，壓力面?zhèn)瓤拷熬壍锥说闹懈邏簠^(qū)和吸力面中心葉高處的狹長低壓區(qū)基本消失。