汽輪發電機冷卻風扇的數值模擬及優化

劉全忠，宮汝志，王洪杰，魏顯著

(哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，哈爾濱150001，liuquanzhong@hit.edu.cn)

軸流風扇是汽輪發電機空氣冷卻系統中最重要的部件，通過數值計算可以模擬風扇內部流場并提供整個流場的流動參數，充分認識軸流風扇內部流動規律，為改進設計提供有效可靠的依據.

Li Yimin 等通過流動可視化和數值模擬技術對軸流風扇內部的流動情況進行了研究，驗證了數值計算方法的可行性［1］;文獻［2-4］分別針對不同的軸流風扇進行了數值計算和實驗，得到的數值計算結果與實驗數據吻合較好;谷慧芳等基于CFD 計算，運用三階樣條插值方法，對影響風機性能的參數進行了優化分析，考慮了多種參數影響下的風機優化問題［5］;文獻［6］提出了一種結合CFD 計算優化三維軸流風扇葉片的綜合方法，該方法借助CFD 方法對葉片性能進行分析預測，然后對葉片進行改進.萬福通過CFD 方法對軸流通風機葉片的流場進行了虛擬樣機的數值模擬，得到了流場的特性參數，提出了對葉型的改進設計方案并實驗驗證了方案的可行性［7］;鄭劍飛對低壓大流量通風機內部流場進行了三維數值模擬，分析了葉片不同周向彎曲對其氣動性能產生影響的原因，并提出降低其通流損失是降低通風機內部流動損失的一個有效辦法［8］;齊學義等依據CFD 結果對水輪機轉輪葉片由翼展中部至輪緣處的翼型進行優化，遵循三階貝塞爾曲線的規律進行修型并增大葉片安放角，修型后的轉輪經模擬計算結果表明其效率有較大提高［9］.

本文采用數值模擬分析方法，用Fluent 軟件對某汽輪發電機通風冷卻風扇在流量為25 m3/s工況的流場進行了數值模擬，了解其內部流場分布情況;以三階貝塞爾曲線為葉片型線約束，通過改變葉片安放角和葉片扭轉角來獲取風扇性能與葉片安放角和葉片扭轉角的變化規律，以效率最高點附近的葉片參數進行修型并通過CFD 驗證，通過修型使軸流風扇的效率得到了明顯提高.

1 理論計算方法

選取有應用背景的優秀原型葉片是軸流風機的CFD 優化設計的關鍵，本文研究的原始模型由哈爾濱大電機研究所提供，轉動部件包括風扇葉片和前導葉，如圖1 所示.

圖1 軸流風扇初始幾何模型轉動部分

初始模型葉片尺寸和運行條件見表1.

表1 初始模型尺寸和運行條件

1.1 計算區域定義

本文計算區域為包括風扇進口段、導葉段、葉輪段和出口段在內的主流區域(如圖2 所示)，采用適用性強的非結構化四面體網格劃分技術，針對葉輪部分空間復雜的特點，采用網格大小為10劃分網格，進口段和出口段采用尺寸函數(Size Function)由葉輪區域到邊界網格逐漸變疏劃分網格，網格總數為125×104，各部分網格數統計如表2 所示.

針對軸流風扇內部三維粘性湍流的流動特點，本文采用不可壓縮流體雷諾平均N-S 方程:

圖2 計算模型示意圖

表2 各部分網格數統計

1.2 控制方程及邊界條件確定

采用標準k-ε 湍流模型和連續性方程使雷諾平均方程封閉，該模型對求解有較大曲率半徑的風扇內部流動有較好的適應性［10］.

使用速度入口及壓力出口邊界條件.采用多參考系(MRF)模型進行計算，進口與葉輪間、葉輪與出口間的界面設置為Interface(交界面)，葉輪段轉動速度為3 000 r/min，應用壁面函數求解近壁區域的低雷諾數流動.

1.3 效率計算方法

風扇的效率為

其中:η 為效率，N 為軸功率，Ne為風扇輸出功率，Wi和Wo為進、出口流體具有的機械能，M 為輸出轉矩，ω 為風扇葉輪轉速.

用User Defined Function(用戶自定義函數)訪問求解器，編寫程序對求解器中的數據進行處理.求解器中包含風扇進出口每一個網格節點上的壓力和流量值，對二者的乘積進行累加，即可求得進、出口流體具有的機械能.

2 計算結果及優化

對原始模型風扇葉片進行優化設計，首先要獲取原始風扇模型的流場參數并計算出數值效率，在此基礎上，通過調整葉片參數來改善風扇內部流動特性，本文中這樣的葉片參數包括葉片安放角和葉片扭轉角.計算不同的葉片安放角和葉片扭轉角下的風扇流場，得到效率和葉片安放角及葉片扭轉角的關系，找出效率最高點對應的葉片安放角和葉片扭轉角作為最終優化風扇模型.

2.1 原模型風扇計算結果

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應從葉片入口到葉片出口)，說明在此處有流體的突然折轉及撞擊現象，原始模型安放角度不適合當前工況;葉片背面低壓區范圍較小，最低壓力較低，即在較小的降壓范圍出現較大的壓力降低，流動狀態不佳;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重的流動分離現象，導致能量損失，效率下降.用1.3中的方法對原型葉片效率進行計算發現，其計算效率為54.3%.

圖3 葉片表面壓力分布

圖4 葉片周圍流線分布

2.2 葉片安放角的調整

圖3 (a)顯示在葉片工作面葉片入口位置有流動撞擊現象，據此應調小葉片安放角.從20.5°到12.5°的范圍內每調小0.5°計算一次流場及效率，得到效率隨葉片安放角的變化規律如圖5 所示.從圖5 中可以看出，風扇效率隨葉片安放角變化規律為先增后減，在葉片安放角約為14.5°時風扇效率達到最大值，最大效率為69.1%，此時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分離現象減輕.

2.3 葉片的扭轉

采用葉片角為14.5°時的風扇葉片繼續對葉片扭轉角進行優化.以葉片的中間為基準，每隔0.2°對葉片進行扭轉，對每個扭轉角對應的風扇葉片計算了其流場及效率，得出效率隨葉片扭轉角的變化規律如圖6 所示，從圖6 中可以看出:風扇效率隨葉片扭轉角變化規律為先增后減.從葉片底部到葉片頂部共扭轉2.2°左右時，葉片效率可達到70.1%.葉片扭轉2.2°時，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分離問題進一步改善.

通過以上計算，本文選取葉片安放角為14.5°和葉片扭轉角為2.2°時的風扇葉片作為最終優化葉片.

圖5 風扇效率隨葉片安放角的變化情況

圖6 風扇效率隨葉片扭轉角度的變化情況

3 結 論

1)對葉片安放角進行調整，并對葉片進行扭轉，使軸流風扇葉輪效率由初始模型的54.3%提高到70.1%;

2)對初始風扇模型進行調整，風扇內部流體流動狀況得到明顯改善，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(相對壓強);

3)葉片調整后，其葉片表面流動狀況得到明顯改善，流動分離現象得到有效控制.

［1］LI Yimin，ZHOU Zhongning.Investigation and numerical simulation of inner-flow of an axial mine-flow fan under low flow rate conditions［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2008，18:107-111.

［2］HOTCHKISS P J，MEYER C J.Numerical investigation into the effect of cross-flow on the performance of axial flow fans in forced draught air-cooled heat exchangers［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26:200-208.

［3］YOUNG J M，YONG C.Computation of unsteady viscous flow and aero-acoustic noise of cross-flow fans［J］.Computers-Fluids，2003，32(7):995-1015.

［4］MEYER C J，KRIGER D G.Numerical simulation of the flow field in the vicinity of an axial flow fan［J］.International Journal for Numerical Methods in Fluids，2001，36:947-969.

［5］谷慧芳，顧平道.軸流通風機內部結構優化方法的研究［J］.風機技術，2008，12(3):20-24.

［6］LIN B J，HUNG C I.An optimal design of axial-flow fan blades by the machining method and an artificial neural network［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，2002，216(3):367-376.

［7］萬福.基于CFD 的軸流通風機葉片的流場分析與改進設計［J］.風機技術，2008(2):21-25.

［8］鄭劍飛.小型軸流通風機中葉片周向彎曲影響氣動性能的數值模擬［J］.風機技術，2008(2):9-12.

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［10］SPECZIALEC G，THANGAM S.Analysis of an RNG based turbulence model for separated flows［J］.Engineering Science，1992，30(10):1379-1388.