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地铁用大型排热轴流通风机设计方法与结构型式的选择

江 杨/江苏中联风能机械有限公司    

摘要: 分析了我国目前地铁中大型单向排热轴流通风机设计方法与结构型式的选择,结合目前常用的两种实例作以分析比较,并提出一些合理化的建议。

关键词:轴流式通风机;地铁;大型排热;设计方法;结构型式

中图分类号:TH432.1   文献标识码 :B

The Design Method and Selection of Structure Type of Large-type Heat Rejection Axial-flow Fan for Subway

Abstract: Combined with the two kinds of solid examples at present to analyze and compare, this paper has analyzed the design method and selection of structure type of large-type one-way heat rejection axial-flow fan for subway at present in our country and some reasonable advices are pointed out.

Key words: axial-flow fan; subway; large-type heat rejection; design method; structure type

0  引言

  目前随着国民经济建设的飞速发展和国家拉动内需的总体经济指导方针,全国各地兴起了地铁建设的高潮。作为地铁环空系统中通风/排烟的主要设备——大型高效低噪型排热轴流通风机早已在1998年左右就取代了进口,国内现有许多此类风机的生产厂家。但由于很多厂家只考虑制造成本,导致很多厂家的此类风机在结构上存在许多的问题。随着节能减排政策的实施,地铁风机的变频调速成为一个不可阻挡的趋势,作为地铁系统中的用电大户——大型排热轴流通风机,风机总体效率的高低直接关系到节能降噪的效果。下面就大型排热轴流通风机(下文简称为排热风机)设计方法与结构型式的选择进行分析比较。

1  概况

  排热风机是屏蔽门系统地铁车站区间排热通风系统(UPE/OTE系统)中的主要通风设备,通常为大型耐高温单向运行轴流通风机,机号在№14~№18之间,流量30~55m3/s ,全压600~900Pa,电机功率45~75kW,全压效率>80%,气体密度1.2kg/m3。属典型的大型中高压轴流通风机。典型布置型式是进气端为自由进气,带有集流器,出气端通过2m左右长度的变径管与片式消声器相连。

  排热风机通常负责车站区间排热及事故排烟,利用变频器进行调速控制,根据车站不同负载工况的变化情况进行变频调速节能运行。正常情况下每天正常运行18h左右;列车阻塞或火灾工况时排热风机仍然工作。同时因为屏蔽门系统的原因,在活塞风的作用下(特别是在回库车作用下),排热风机背压有较大变化,有可能引发喘振和噪声增大的现象。

2  设计理论

2.1 现代气动设计方法的类别

  对于此类大型排热轴流通风机的气动设计,在现代均已选择全三维分析风机内部流场计算流体动力学CFD进行设计计算。

  理论设计方法主要有两种[1]

  (1)一种是利用单独翼型空气动力试验所得到的数据进行设计,称为“孤立翼型设计法”;

  (2)另一种是利用叶栅理论和叶栅吹风试验结果进行设计,称为“叶栅设计法”。

  通常情况下当轴流通风机的叶栅稠度值(叶栅宽度/叶栅栅距)<1时,可把叶片当作互不影响的孤立叶片,按孤立翼型设计法计算,即假定孤立翼型的升力系数与叶栅中翼型的升力系数相等。对于低压轴流通风机,可获得良好的效果。在叶栅稠度>1的高压通风机中,气流流过叶栅时由于翼型之间的相互影响以及叶栅的扩压性等,使叶栅的空气动力特性与孤立翼型有较大差别,通常采用叶栅设计法,此法是设计中、高压轴流通风机的主要方法。

  所以孤立翼型设计法适用于风压小,叶片稠度小的情况;而叶栅设计法适用于风压大,叶片稠度大的情况。

  在具体的平面叶栅设计中,设计思路主要有正命题法、反命题法、杂交命题法、最优化解法这4种[2] ,但常用的还是正命题法与反命题法。

  正命题法是:选取某种气动性能比较好的已知叶型设计叶片,而这种叶型比较陈旧,且气流转角很小,有时很难找到现成的叶型可以选取。反命题法是在造型可以灵活控制叶型厚度和前、后缘半径的大小等参数,使之可以没有任何限制地应用于各种轴流通风机叶型造型中。根据所要求的进、出气角,在规定了叶型相对栅距和叶型安装角之后可以设计出所需要的叶片型面,采用这种设计方法能保证气流在叶栅通道中的流动损失最小,使叶型升力系数大,较常规风机转速低和轮毂比小。

  同时根据通风机径向平衡条件,在进行通风机气动设计时又分为等环量流型(或自由涡流型)和 变环量流型(或固体涡流型)两种方法。

  等环量流型中轴向速度与压力等于常数,其优点是设计方便,此型风机叶片的叶顶到叶尖叶栅宽度变化很大,有呈梯形、倒梯形、鼓形等,叶片的整体扭曲度很大,对于轮毂比适中的轴流通风机采用等环量设计能够取得较好的效果。变环量流型中旋绕速度等于常数,一般使全压沿叶高增加,以充分利用叶尖部分的圆周速度,对于轮毂比较小的轴流通风机,全叶高方向的叶栅宽度基本相同,且扭曲度很小,采用变环量设计可以避免叶片扭曲,便于制造,但通常不用于轴流通风机的设计中[3]

2.2  风机整体气动结构的选择[3]

  轴流通风机气动结构目前有叶轮级(R级)、叶轮加后导叶级(R+S级)、前导叶加叶轮级(P+R级)、前导叶加叶轮加后导叶级(P+R+S级)。

  叶轮级(R级),其单级压力系数ψtI=0.052~0.25 ,全压效率ntF=0.73~0.82 ,静压效率nsF=0.4~0.55 。此级数比转数范围ns=205~490 ,此结构风机效率很低,结构极其简单。

  叶轮加后导叶级(R+S)级,其单级全压系数ψtI=0.154~0.72 ,全压效率ntF=0.8~0.9 ,此级适合于比转数ns=95~305 场合,在比转数ns=170~270时全压效率最高[3] 。此型风机效率高,适用范围广,结构也比较简单。

  前导叶加叶轮级(P+R级),分前导可调与不可调两种。不可调型全压效率比R+S级低4%~10%,目前已不再应用,前导可调型虽然全压系数ψtI较R+S级高些,但全压效率要低,且结构复杂、维护要求高,所以该级型式应用也不多。

  前导叶加叶轮加后导叶级(P+R+S级)全压系数ψtI=0.33~0.84 ,全压效率ntF=0.81~0.89,比转数ns=95~305,但轴向长度比较长,且噪声较高,成本也最高。除了在特殊超高压风机有应用外,通常场合应用也较少。

  通过上述基础理论分析得知:叶轮加后导叶级(R+S级)比转数范围宽,全压效率高、噪声低、结构简单,具有良好的综合优势。地铁中此类大型排热轴流通风机宜利用“叶栅设计法”设计等环量R+S级结构最为合理。

3  分析

  从整体气动性能上考虑分析风机静子结构,理想的做法是(如上海地铁一号线从德国进口的Voith公司的φ1800隧道风机、北京地铁复8号线从荷兰进口的Howden公司的φ1800隧道风机等):采用B5型内置电机,出风侧整流内筒为圆筒形,且与轮毂直径相同,后导叶栅沿圆周均匀分布,因此流道结构合理,有利于风机提高效率和降低噪声。一种易产生较大涡流损失的结构是:采用带底座电机,设置电机安装架,故后导叶不可能沿圆周方向均匀分布,不符合气动设计基本准则要求,影响动叶栅内的流场,因此该结构有较大的涡流损失和噪声。

  因此,对于所讨论的排热风机在级的设计上应选用叶轮加后导叶级(R+S级)的结构,确保此类风机的高效与低噪要求,达到节能降噪的目的。又因风机多为自由进气工况,所以叶轮前均加设了集流器,据大量文献介绍与许多实际测试证实,集流器对于后置导叶式轴流通风机的效率与全压影响很大,不装集流器的后置导叶式轴流通风机要比加装的风机效率低 10%左右,全压低3%~5%,所以为排热风机加设一个优良的集流很有必要。对于风机实际运行过程中可能遇到喘振工况,风机整体结构上也必须考虑一定的防喘振措施,以确保风机非正常工况下的安全运行。

4  实例比较

  下面就目前国内地铁中实际使用中的两种典型№18排热风机的结构型式与性能进行实例分析比较。

  该风机设计工况参数:空气密度ρ=1.2kg/m3,输送介质为正常环境温度不超过45℃ 、不含超过100mg/m3杂质且无粘性空气,火灾工况下需耐高温250℃1h,流量Qv=55m3/s(198000m3/h),全压ptF=880Pa,转速n=985r/min,比转数ns=250,流量系数φ=0.233,全压系数ntF=0.17,静压比70%左右,动叶片采用铸造铝硅系合金,直联式传动。

  图1与图2为国内某厂家地铁№18单向排热风机,轮毂比0.4左右,风机带有弧形集流器,动叶片数为8(型面为相对较厚的机翼型),静叶为下部5块不均分等厚钢板加上部4块局部等分弧形钢板,叶轮前设有扁平形整流罩,无相关防喘振措施,下文简称为A式风机。

图1 A式风机前视图

图2 A式风机后视图

  从图1 中看出, A 式风机叶片扭曲度很小,叶尖与叶根基本平齐,叶栅稠度明显<1 ,为典型的“变环量”方法设计。从图2中看出,此型风机后置无均分型的导叶,只能看作为下部简单的电机支撑加上部几块装饰性的弧形板,不能起到后导叶的作用,叶栅内的流场无法均匀,势必会产生较大的涡流损失和噪声。因此,此型风机为明显地利用“孤立翼型设计法”设计出的单“叶轮级(R级)”结构式低压轴流通风机。

    图3和图4为另一种典型的地铁№18 单向排热风机,轮毂比为0.4 ,风机带有弧形集流器,动叶片数为12(型面为下厚上薄的变截面机翼型),叶轮前设有半球形整流罩,动叶片进气侧有防喘振环装置(内设一定数量的弧形导流叶片消除由叶尖涡流过多而产生的喘振现象),静叶为 7 块中空机翼型钢板,下文简称为B式风机。

    B式风机叶栅设计采用“反命题解法”解析,从图2中看出此型风机叶片扭曲度很大,而叶尖与叶根宽度变化较大,叶栅稠度明显>1 ,为典型的“等环量”设计。风机的后置为均分机翼型的导叶,流场均匀,因此,此型风机为明显地利用“叶栅设计法”设计出的 “叶轮加后导叶级(R级+S级)” 结构式高效中高压轴流通风机。

图3 B式风机前视图

图4 B式风机后视图

5  性能试验

  B式风机在2006年9月28日委托机械工业部风机产品质量监督检验中心按GB/T 1236-2000《工业通风机 用标准化风道进行性能试验》进行全压性能试验(检验报告编号:№Q2006-35),测试结果见表1。

表1 全压性能考核结果

序号

数据类别

容积流量/(m3/h)

全压/Pa

风机功率/kW

全压效率/%

比A声级/dB

1

标准值

198000

880.0

35.0

2

实测值

198000

847.2

58.216

80.04

23.4

3

偏差值

0

-3.73%

-11.6

试验类型:B型(自由进口,管道出口)

  表1数据表明,该型风机达到了设计预定值,除全压稍有负偏差外(但在标准规定的全压偏差±5%以内),其余均非常优良(注:因风机有高温250℃1h的运行要求,为考虑高温下风机各部件的形变,风机的设计叶尖间隙较大,导致全压效率没有超过84%)。

  另:基于管道法存在着一定测试不确定性,厂家在对B式风机进行内部检测时,曾经测得过最高全压效率点83%左右的数据,在不加设防喘振环的状态下,实际最高全压效率达86%左右。

  此型风机在国内的多条地铁中有近十年的成功运行经验,试验数据与实际应用均证明了该型风机设计的合理性。

6  结论

  由于难以对前文中的A式风机进行实际性能测试,但此型风机气动结构适用范围虽然还勉强在第二节的理论设计数据的适用范围内,却均已处于数据值的边缘,属于临界范畴,显然存在着很大的不适用性。所以通过上述分析与试验数据可以得出如下结论:采用A式结构设计的排热风机在性能上难以和B式结构的风机进行相比,同时也必然不能满足地铁变频运行中所要求的节能与降噪的要求,A式风机唯一比B式风机存在的优点就是结构简单且成本低廉。

  因此,在今后的同类风机的设计和选型时应尽量避免选用A式结构的风机。

7  建议与发展方向

  在笔者多年接触和实际设计此类排热风机的过程中也发现:B式风机由于叶栅稠度>1,叶片数较多,在轮毂中要进行合理布置(主要考虑叶片根部的结构)不是十分容易,在现代计算机技术飞速发展的条件下,可进一步提高设计方法的科学性,利用“CFD”技术进行“杂交命题解法”或“最优化命解法”设计。在不降低风机气动性能的状态下减少叶片数量,使得叶片的布置更加容易,同时也能明显降低风机的整体成本。

  在风机的实际使用场合中也发现:风机进出风口所配扩压管的扩压角(等值张开角)往往大于17°,达不到最佳10°~12°的要求,导致风机在现场运行时的实际性能肯定低于设计值,增加了不必要的扩压损失。

  因此,对于此类地铁中的大型排热轴流通风机,从设计上还有一定程度提高的可能性,今后此类风机的设计和应用肯定还能取得更大的发展,进一步实现高效、低噪的目标。

参 考 文 献

[1] 芮胜军,李健,高凤玲.轴流通风机不同变环量指数性能数值模拟[J].风机技术,2008(1):41-42,60.

[2] 刘高联,王甲升.叶轮机械气体动力学基础[M].机械工业出版社,1980.7.

[3] 商景泰.通风机手册[M].北京:机械工业出版社,1994.

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-3 17:03:51
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  评论人:htaqjh   打分:85 分  发表时间:2015-5-16 8:31:46
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