動葉可調軸流風機葉片切割前后的性能研究

丁學亮，葉學民，李春曦

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 0 71003)

動葉可調軸流風機葉片切割前后的性能研究

丁學亮，葉學民，李春曦

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 0 71003)

以OB-84型動葉可調式軸流風機為對象，采用Fluent軟件對葉片安裝角為29°、32°和35°在5%、10%和15%切割量時的風機進行了三維數值模擬，得到了不同情形下的風機性能曲線，分析了安裝角和切割量對風機性能和內流特性的影響。結果表明:在同一安裝角下，風機全壓和效率隨切割量增大而減小、且葉頂流動損失變大，整機熵產增加;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移動;所得葉片切割前后運行工況點的關系式可為葉片實際切割提供理論依據。

動葉可調式軸流風機;安裝角;葉片切割;內流特性

0 引言

風機作為電力生產過程的重要輔機，其耗電量約占廠用電量的30%，由風機故障而引起停機、停爐的事故多發，由此造成的直接和間接經濟損失巨大。目前，大型火力發電機組的送、引風機和一次風機多采用軸流式風機，其中動葉可調式軸流風機因其高性能而日益受到廣泛應用。在風機實際運行中，改變葉片安裝角可使風機快速達到實際所需要的流量和全壓;在滿足實際需求的前提下，葉片切割可使風機運行工況點效率處于高效區。因此，深入研究風機葉片切割后在不同安裝角下風機運行的氣動特性有重要的理論意義和實際價值。

目前，對軸流風機的研究大多單獨研究葉頂間隙［1～3］或安裝角［4～6］對風機性能的影響以及風機節能改造［7～9］。針對某軸流風機，呂峰和趙燕杰［10］對葉頂切割量為15%、30%、45%和57%時的風機進行數值模擬，得到了不同情形下的風機性能曲線，并進行分析。王軍等［11］基于動葉可調軸流風機，研究了葉頂間隙對葉頂泄漏流動和和全壓的影響。李春曦等［12，13］研究了軸流風機動葉安裝角非同步調節下的氣動特性，分析了安裝角異常對風機性能和噪聲的影響。

而對于在不同安裝角下葉片切割后風機性能的研究尚不完善，為探討該情形下風機內流特性的變化機理，本文采用Fluent軟件對OB-84型動葉可調軸流風機性能進行三維數值模擬，進而研究不同安裝角下對葉片不同切割量后的全壓、效率和內流特征變化。

1 計算模型

1.1 物理模型

以OB-84型帶后置導葉的動葉可調軸流風機模型為對象。該風機有14片動葉、15片導葉，基元翼型為NACA對稱翼型，轉速為1 200 r/min。風機切割前后的結構參數如表1所示，其中D0為原風機葉輪直徑，D1為葉片切割后葉輪直徑，d為風機的輪轂直徑。

1.2 網格劃分

應用Gambit進行網格劃分，采取分區和局部加密劃分方法，將計算域分成集流器、動葉、導葉和擴壓器等四部分，如圖1所示。風機劃分網格后總計單元數約為235萬，其中動葉區約為136萬，網格數量經過多次選擇，確保網格數目與計算結果的無關性，滿足精度和時長要求。

表1 風機切割前后的結構參數

圖1 OB-84型軸流式風機整機計算域

1.3 計算模型及邊界條件

控制方程組采用Realizable k－ε湍流模型，該模型可有效解決旋轉運動，強逆壓梯度的邊界層流動分離，二次流及回流等情形，適合該模型的計算［14］。計算中，將集流器進口截面和擴壓器出口截面作為模擬區的進、出口，進口邊界條件為速度進口，出口為自由出流條件。

2 模擬結果與分析

2.1 性能曲線

本文先對原風機進行數值模擬，模擬結果表明，在模擬計算流量范圍 (33m3/s≤qv≤47 m3/s)內，所得全壓和效率與文獻［15］中性能曲線相比，偏差分別為1.6%和5.8%，因此文中數值模擬結果是可靠的。

圖2為安裝角β為29°、32°和35°時不同切割量下的全壓性能曲線 (文中β為動葉安裝角度，Δ為切割葉片量占葉片總長度的百分比)。該圖表明，β=29°和β=32°時全壓隨流量增加而減小，但并未改變全壓曲線的總體趨勢;在β=35°下，Δ=0%和Δ=5%對應的全壓曲線出現較大“駝峰”區，在β=29°下Δ=5%、β=32°下Δ=5%、β=32°下Δ=10%和β=35°下Δ=10%時出現輕微“駝峰”區，上述變化將使風機在小流量下運行時進入喘振區。另外，在同一安裝角下，全壓曲線隨切割量增加均下移，且在小流量區下降顯著，而在大流量區下降幅度較小。切割量不變時(qv≥37 m3/s)，全壓隨安裝角增加而提高，各個流量區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°時不同切割量下的效率性能曲線。由圖可知，隨切割量增加，風機效率逐漸減小，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，效率最高點位置隨安裝角增加向流量增大方向移動。可見，安裝角不同時風機的高效區處于不同的流量范圍:葉片未切割時，β=29°時高效區在小流量區 (qv～33.29 m3/s)，β=32°時高效區位于設計工況點附近，β=35°時高效區在大流量區 (qv～41.61 m3/s)。因此，可根據實際流量調節葉片安裝角使風機處于高效區。通過上述分析可知，風機在不同流量區運行時，可對風機進行葉片切割及改變動葉安裝角使風機在滿足全壓需求的同時效率最高。

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，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的趨勢，同時由于葉輪旋轉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。由于壓差產生的推動力與離心力相平衡，流道內氣流沒有橫向運動。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，形成泄漏渦，造成能量損失。

圖4為設計工況下動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，且泄漏渦對主流的影響變大導致損失增加，由此導致風機全壓和效率性能下降。這是因為切割量增加葉頂間隙變大，葉頂的泄漏流動增加使泄漏渦擴大，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，其原因是因為在葉根處也存在泄漏渦。另外，風機性能曲線中β=32°對應的全壓和效率大于β=29°情形下，這是由于β=29°下的沖擊損失更為顯著。

圖5為大流量工況下動葉流道子午面上的渦流分布 (qv=46.61 m3/s)。與設計工況相比，渦核位置變化規律相似，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，不同切割量下的全壓和效率相差不大，這與風機性能曲線是相符。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，與設計工況相比，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°時的效率持續減小，而β=32°和β=35°時呈先增后減的趨勢相符合。

圖4 設計工況下動葉通道子午面上的渦量分布

圖5 大流量下動葉通道子午面上的渦量分布

2.3 整機熵產率

熵產率可以反映風機內部流動過程中的不可逆能量損失，風機內的總熵產率S包括由粘性耗散和湍流耗散引起的熵產率 SVD、STD，其表達式為

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

因STD含有速度脈動項而無法直接計算，為此假設其與湍流散率ε和溫度有關，故其表達式為

圖6為設計工況下不同切割量風機整機熵產率分布。葉片未切割時，高熵產率集中在動葉區和導葉區，最大值出現在動葉區流道頂部和底部，而集流器區和擴壓器區絕大部分熵產率均較小。這是因為流體在動葉區和導葉區流動方向顯著變化會產生撞擊損失，且在葉片表面出現邊界層分離、二次流及漩渦流動現象，由此造成損失顯著，所以熵產率比較高;而集流器區和擴壓器區具有良好的流線外型，對應的流動局部損失很小，因此熵產率較低。

從圖6可知，整機熵產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，動葉區和導葉區頂部的高熵產率區變大，而且可觀察到擴壓器區入口部分熵產增大。Δ=10%和Δ=15%時，動葉區和導葉區高熵產率區范圍變化不大，在導葉區出現最大熵產率值，擴壓器區熵產率進一步提高，高熵產率范圍逐漸向出口方向擴大，且占據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葉區，使動葉區能量損失增加、全壓減小，而且還造成導葉區和擴壓器區的熵產增加。究其原因，是因為葉片進行切割后，動葉片的做功能力下降，流體在動葉區的流態發生改變;氣流進入導葉時，在導葉區內的撞擊損失、二次流和漩渦流動會增強，甚至擴大到擴壓器區，導致導葉區和擴壓器區熵產增加。

圖6 風機整機熵產率分布

2.4 運行工況點

選取4條不同管路特性曲線進一步研究葉片切割對風機運行工況點的影響。通常，風機管路特性曲線為過原點拋物線，即p=φqv2(φ為綜合阻力常數)。選取φ=1.09，0.93，0.78和0.65，可得不同管路特性曲線與風機性能曲線交點，即運行工況點。表2為不同安裝角下葉片切割后，風機處于不同管路特性曲線的運行工況點參數。

對表2中的數據進行整理，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系，如圖7所示。圖中:p0和D0為風機未切割時運行參數。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對應的指數，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系式，如式 (1)～(3)所示。由式 (1)～(3)可知，即隨安裝角增大，指數有所增大，從而對運行工況點的影響程度有所差異。由于式(1)～(3)是針對風機運行工況點，而不是切割前后的對應工況點，因此，可為軸流風機的葉片切割現場改造提供理論依據。

表2 不同安裝角及不同切割量的運行工況點參數

圖7 葉片切割后ln(p0/p)和ln(D0/D1)的關系

3 結論

(1)安裝角不變時，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;動葉區和導葉區的熵產較大，且隨切割量增加整機熵產變大。

(2)切割量不變時，風機總壓隨安裝角增大而提高，效率最高值逐漸向大流量側移動;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，葉片切割前后運行工況點ln(qv0/qv1)和ln(p0/p1)與ln(D0/D1)的關系式，可為現場葉片切割提供理論依據。

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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。

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