高溫可逆軸流風(fēng)機(jī)在固溶爐中的應(yīng)用及問(wèn)題分析

秦明臣，崔清鏈，龔奇龍，王永彬

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

固溶爐溫度均勻性是保障金屬熱處理性能、提高熱處理工件質(zhì)量的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)常規(guī)熱處理爐型多采用經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行相應(yīng)的爐型設(shè)計(jì)[1]，爐溫均勻性良莠不齊，給設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行及調(diào)試帶來(lái)的極大的困難，不僅降低了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)。此外，傳統(tǒng)固溶爐一般為吸風(fēng)設(shè)計(jì)（相對(duì)于工件而言），工件只從一側(cè)加熱或冷卻，當(dāng)工件尺寸較大時(shí)，加熱側(cè)起始端和末端溫度會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差。反向吹風(fēng)可以使?fàn)t內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)方向轉(zhuǎn)變，工件表面加熱順序逆轉(zhuǎn)，可在一定程度上減小或消除工件兩端溫差，為后續(xù)精細(xì)化爐溫和料溫調(diào)節(jié)提供方向。然而對(duì)于固溶爐常用W63B系列高溫可逆軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)吸風(fēng)和吹風(fēng)的使用條件是不同的，風(fēng)機(jī)手冊(cè)中給出風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)風(fēng)量偏差約為10%[2]，此數(shù)值是軸流風(fēng)機(jī)安裝在風(fēng)道中測(cè)試的結(jié)果，而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，風(fēng)機(jī)出風(fēng)量受系統(tǒng)阻力及出風(fēng)條件影響，吹風(fēng)和吸風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)量往往有較大區(qū)別。根據(jù)固溶爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，吹風(fēng)條件下的系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量只有吸風(fēng)狀態(tài)下的50%～70%，較低的系統(tǒng)循環(huán)流量易導(dǎo)致烘爐時(shí)間長(zhǎng)，工件加熱效率低等問(wèn)題。若爐型設(shè)計(jì)不合理，管網(wǎng)阻力過(guò)高，風(fēng)機(jī)甚至可能發(fā)生喘振，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

為深入分析高溫可逆軸流風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)條件下的系統(tǒng)流動(dòng)及溫度均勻性，改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的問(wèn)題，本文采用CFD仿真模擬的方法對(duì)常規(guī)固溶爐爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的深入分析，找出影響爐溫均勻性的主要原因；并進(jìn)一步通過(guò)無(wú)量綱分析，得到吹風(fēng)條件下風(fēng)機(jī)選型和爐膛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，從而為后續(xù)爐型設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 模型介紹

本研究以圓形固熔爐為研究對(duì)象，軸流風(fēng)機(jī)采用頂裝方式，幾何模型如圖1所示。加熱器數(shù)量共18個(gè)，爐膛內(nèi)筒直徑Din為4.8 m，爐體內(nèi)徑Dout為5.7 m，有效區(qū)直徑為3.6 m，爐區(qū)整體高度約為4.689 m，采用W63B-1系列高溫可逆軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)為18.29 C，風(fēng)機(jī)直徑Dfan為1 829 mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速990 r/min，設(shè)計(jì)風(fēng)量221 914 m3/h，靜壓559 Pa。

圖1 幾何模型示意圖

為使得分析結(jié)果具有普適性，便于指導(dǎo)不同工程要求下的固熔爐爐膛尺寸設(shè)計(jì)，對(duì)模型進(jìn)行了無(wú)量綱化處理，定義爐膛內(nèi)導(dǎo)流直徑Din與風(fēng)機(jī)直徑Dfan的比值為X；定義爐膛內(nèi)筒面積Ain與爐膛導(dǎo)流部分面積Aout-Ain的比值為Y。

采用Ansys Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域模擬采用MRF模型，轉(zhuǎn)速設(shè)定為990 r/min，壁面無(wú)滑移。湍流模型選擇realizable k-epsilon，動(dòng)量方程為二階迎風(fēng)差分格式，速度壓力耦合方式為Simple。加熱器壁面采用恒溫邊界，溫度設(shè)定900℃。爐體外表面采用自然對(duì)流邊界條件，選擇表面對(duì)流散熱系數(shù)為20 W/（m2·K），壁面厚度為0.35 m?？紤]到壁面熱橋現(xiàn)象的存在，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壁溫測(cè)試結(jié)果反推保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/（m·K）時(shí)，模擬計(jì)算結(jié)果同實(shí)際壁溫較為一致，對(duì)應(yīng)保溫材料密度設(shè)置為100 kg/m3，定壓比熱容為1 000 J/（kg·K）。其他爐體內(nèi)部導(dǎo)流壁面設(shè)置為絕熱。

本模型采用Fluent Meshing進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，葉輪部分網(wǎng)格尺寸見(jiàn)圖2，最小網(wǎng)格尺寸為5，最大尺寸為60，總網(wǎng)格數(shù)量約為800萬(wàn)。

圖2 局部網(wǎng)格劃分示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 吸風(fēng)狀態(tài)流場(chǎng)分析

圖3為吸風(fēng)狀態(tài)下固溶爐內(nèi)部氣體流線。由圖3可知，環(huán)形固溶爐在風(fēng)機(jī)吸風(fēng)條件下的流動(dòng)狀態(tài)較好，爐內(nèi)介質(zhì)經(jīng)過(guò)軸流風(fēng)機(jī)后，向四周擴(kuò)散開(kāi)，在爐頂經(jīng)過(guò)加熱器后沿導(dǎo)流向下流動(dòng)，煙氣流動(dòng)跡線清晰。在導(dǎo)流底部，流體向爐筒中心聚攏。由于爐體內(nèi)部煙氣流向有一定偏斜，形成強(qiáng)旋流流動(dòng)，該流動(dòng)形式強(qiáng)化了內(nèi)部湍流度，熱風(fēng)吹掃工件表面的速度較大，有利于提升工件加熱速率。計(jì)算得到系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量約為195 840 m3/h，略低于風(fēng)機(jī)手冊(cè)所給該型號(hào)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量221 914 m3/h，偏差約為11.75%，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

圖3吸風(fēng)狀態(tài)下?tīng)t內(nèi)流場(chǎng)分布示意圖

圖4 給出了風(fēng)機(jī)吸風(fēng)狀態(tài)下系統(tǒng)中心縱截面煙氣流場(chǎng)分布特征。圖4（a）為截面速度分布圖，固溶爐爐體內(nèi)部速度分布具有明顯旋流流動(dòng)速度分布特征，中心為低速負(fù)壓區(qū)域（見(jiàn)圖4（b）和圖4（c）），兩側(cè)突出雙峰形狀，為旋流的高速流動(dòng)區(qū)域，遠(yuǎn)離中心線的區(qū)域速度又降低下來(lái)，對(duì)于圓形固熔爐，該流動(dòng)形態(tài)比較有利于環(huán)形工件的熱處理。圖4（d）為固溶爐內(nèi)溫度分布圖，由圖可知，低溫區(qū)主要存在于旋流中心負(fù)壓區(qū)域，此處熱風(fēng)速度低，更新慢，由于壁面對(duì)流換熱造成的爐內(nèi)低溫?zé)犸L(fēng)得不到及時(shí)加熱，隨中心柱上升，擴(kuò)大了低溫區(qū)域的影響。此時(shí)爐內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，小的漏風(fēng)可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的溫度均勻性，應(yīng)確保爐門處的密封性。不過(guò)該圓形固溶爐處理的工件主要為環(huán)形工件，中心局部低溫區(qū)域?qū)τ诠ぜ崽幚碛行^(qū)的影響會(huì)小很多，也可以通過(guò)增大有效區(qū)到爐底的距離來(lái)提高有效區(qū)溫度均勻性。

圖4吸風(fēng)狀態(tài)下?tīng)t內(nèi)縱截面流場(chǎng)分布圖

圖5 為該圓形固溶爐有效區(qū)溫度均勻性，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，影響爐溫均勻性的位置主要存在于中心負(fù)壓區(qū)，在系統(tǒng)不漏風(fēng)的情況下，有效區(qū)溫度均勻性可達(dá)到±2.7℃，滿足小于±3℃的技術(shù)要求。

圖5 有效區(qū)溫度分布圖

2.2 吹風(fēng)狀態(tài)流場(chǎng)分析

對(duì)于較高的熱處理工件，由于沿?zé)犸L(fēng)流動(dòng)方向上尺寸較大，在熱處理過(guò)程中易產(chǎn)生一端加熱較快溫度較高，而另一端溫度稍低的現(xiàn)象，使得整個(gè)工件升溫速率不一致。為改善該現(xiàn)象，需要可逆軸流風(fēng)機(jī)逆向旋轉(zhuǎn)，反向吹風(fēng)，將另一端溫度提升上來(lái)。而逆向旋轉(zhuǎn)工況下，系統(tǒng)的實(shí)際出風(fēng)量往往同設(shè)計(jì)風(fēng)量有較大偏差，為探究這一問(wèn)題，本節(jié)詳細(xì)計(jì)算了不同設(shè)計(jì)尺寸下的系統(tǒng)吹風(fēng)狀態(tài)流場(chǎng)分布情況。

圖6為比值X對(duì)系統(tǒng)吹風(fēng)效果的影響。由圖可知，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)流筒直徑Din與風(fēng)機(jī)直徑Dfan比值X增大時(shí)，風(fēng)機(jī)吹風(fēng)條件變差，吹風(fēng)口擴(kuò)壓損失增加，出風(fēng)難以聚攏。當(dāng)X設(shè)計(jì)值等于1.80時(shí)，尚能形成吹風(fēng)狀態(tài)，但X設(shè)計(jì)值達(dá)到2.08時(shí)，系統(tǒng)便不能正常吹風(fēng)，甚至風(fēng)向改變?yōu)檩p微的吸風(fēng)狀態(tài)。根據(jù)《風(fēng)機(jī)手冊(cè)》相關(guān)理論，分析認(rèn)為該現(xiàn)象為系統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象，此狀態(tài)下系統(tǒng)風(fēng)量較小，且表現(xiàn)為吸風(fēng)，風(fēng)機(jī)軸功率和X＜1.8的情況相比要高許多。從模擬結(jié)果來(lái)看，X在1.8和2之間存在一個(gè)臨界值，高于此臨界值后，難以形成穩(wěn)定的吹風(fēng)狀態(tài)。

圖6 比值X對(duì)系統(tǒng)吹風(fēng)效果的影響圖

在保持X=2.62的條件下，繼續(xù)計(jì)算了不同導(dǎo)流筒寬度下的風(fēng)機(jī)吹風(fēng)條件。圖7給出了Y值（內(nèi)筒面積Ain/導(dǎo)流面積Aout-Ain）對(duì)吹風(fēng)效果的影響。從模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)設(shè)計(jì)值X較大時(shí)（X=2.62），增大導(dǎo)流面積并不能形成吹風(fēng)狀態(tài)，說(shuō)明在該研究數(shù)值范圍內(nèi)，比值Y的大小并不是影響風(fēng)機(jī)吹風(fēng)狀態(tài)的主要因素。

圖7 比值Y對(duì)系統(tǒng)吹風(fēng)效果的影響圖

綜上所述，內(nèi)導(dǎo)流筒直徑Din與風(fēng)機(jī)直徑Dfan比值X對(duì)風(fēng)機(jī)吹風(fēng)狀態(tài)的影響起著至關(guān)重要的作用。在設(shè)計(jì)固溶爐時(shí)（對(duì)于矩形爐體同樣適用），應(yīng)盡量保證比值X小于1.8；當(dāng)大于1.8的時(shí)候，軸流風(fēng)機(jī)并不能有效應(yīng)用于逆向旋轉(zhuǎn)。

2.3 喘振現(xiàn)象預(yù)防措施

系統(tǒng)喘振由兩方面因素引起，一是通風(fēng)機(jī)流量很小時(shí)，如氣流的入口角與葉片安裝入口角差值過(guò)大，沖角值明顯增加，效率迅速下降，無(wú)法把氣流輸出；二是管網(wǎng)阻力很大，管網(wǎng)的性能曲線與通風(fēng)機(jī)性能曲線在左下方相交，進(jìn)入喘振區(qū)則會(huì)發(fā)生喘振。因此，在選用標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)機(jī)的情況下，合理降低管網(wǎng)阻力是消除喘振的有效方法。

對(duì)于本研究所遇到的喘振現(xiàn)象，主要原因很大程度上是離心風(fēng)機(jī)吹風(fēng)條件下出口擴(kuò)壓損失過(guò)大，導(dǎo)致吹風(fēng)狀態(tài)無(wú)法形成。減小導(dǎo)流內(nèi)徑Din的設(shè)計(jì)值，可以有效避免該現(xiàn)象，增大風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓。通過(guò)上述模擬分析，得到可以避免固溶爐吹風(fēng)喘振現(xiàn)象的安全設(shè)計(jì)參數(shù)X應(yīng)小于1.8。

3 結(jié)論

采用Ansys Fluent軟件對(duì)常規(guī)固溶爐爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的深入分析，得到結(jié)論如下：

（1）影響爐溫均勻性的主要原因包括導(dǎo)流筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)，有效區(qū)到底部爐門的距離以及表面散熱、負(fù)壓漏風(fēng)等。

（2）對(duì)于環(huán)形固溶爐，吸風(fēng)狀態(tài)系統(tǒng)流場(chǎng)分布較好，吹風(fēng)狀態(tài)的形成受內(nèi)導(dǎo)流筒直徑Din與風(fēng)機(jī)直徑Dfan比值X的影響較大。當(dāng)X＜1.8時(shí)，系統(tǒng)可形成吹風(fēng)狀態(tài)，當(dāng)X大于2.08時(shí)，無(wú)法形成穩(wěn)定吹風(fēng)狀態(tài)。

（3）在該研究數(shù)值范圍內(nèi)，比值Y（內(nèi)筒面積Ain/導(dǎo)流面積Aout-Ain）的大小不是影響風(fēng)機(jī)吹風(fēng)狀態(tài)的主要因素。

（4）通過(guò)上述模擬分析，得到可以避免固溶爐吹風(fēng)喘振現(xiàn)象的安全設(shè)計(jì)參數(shù)X應(yīng)小于1.8。