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叶片顶切对大型轴流风机性能的影响

吕 峰 /中广核工程有限公司    

摘要:对等环量设计的动叶可调大型轴流风机的叶片进行顶切,通过整机三维流场分析,得到了不同轮毂比和不同动叶安装角度的风机性能曲线。通过采用两种流量系数表示方法,对切割后的风机性能进行了对比分析,发现当轮毂比从0.56变化为0.6和0.65时,即切割量小于叶片长度30%时,风机的无因次性能曲线基本没有变化;当轮毂比切割为0.7时,风机性能明显恶化,通过叶片切割来改变风机流量的方法不再适用。
关键词:轴流风机;叶顶切割;风机性能变化

Effects of Blade Cutting on the Performance of Large-type Axial-flow Fan
Abstract: The cutting are carried out from the blades tip in a large axial flow fan with adjustable rotor blades and equivalent circulation design, the performance curve of different hub-tip ratio and rotor blade installation angle is obtained based on three dimensional flow field analysis. With the use of two different nondimensional flow coefficients, it is revealed that for the cases of hub-tip ratio changing from 0.56 to 0.6 and 0.65, which means a 30% percent reduction in blade length, the dimensionless characteristic of the original fan on the basis of the first kind of flow coefficient can still be used in performance prediction of the blade-cut fans; whereas for the cases that the hub-tip ratio is 0.7, the performance of the fans with cut blades will deteriorate obviously and the method of using blades cutting to change fan flow is not suitable.
Key words: axial flow fan; blade cutting; fan characteristic curves
0    引言
  大型动叶可调轴流风机[1]是电厂锅炉和脱硫装置中的关键设备。为了防腐,叶片由不锈钢制造,风机的叶片模具价格很高。采用叶片顶切这种风机系列化的思想,可以改变轴流风机的流量范围;配合改变叶片数目的方法[2] ,风机的压力范围也可扩大,从而达到采用同一副模具制造出多个系列风机叶片的效果。如此,可降低叶片制造中模具的成本比例和叶片的制造费用,同时也便于模具管理和叶片质量的控制。
  目前公开发表的叶片切割对风机性能影响的研究很少,查到的仅有叶增明等人[3]对轴流风机叶片切割后的性能所作的理论分析。多数文献是研究叶顶间隙扩大对轴流风机性能的影响[4-7] ,国外的文献也主要是研究叶片叶尖磨损对风机性能的影响或是研究叶顶间隙的影响[8]
  本文以某国外引进的直径3.5m的动叶可调轴流风机为例,研究叶顶切割对风机性能的影响。我们所进行的数值分析表明,该风机的设计规律为等环量。尽管现在单叶轮轴流风机经常采用变环量设计方法设计动叶,以减小动叶后的周向速度损失或降低噪声[9] ,但是国内外大型轴流风机(具有后导叶的风机)还多采用等环量设计。
1 计算模型及网格划分
  本文采用Numeca软件对叶片顶切后的轴流风机内部流动进行数值模拟,计算区域包括动叶、导叶、动叶叶顶间隙和扩散筒。
  该风机主要结构和设计参数如下:轮毂直径1 996mm,叶轮外径3 556mm,原始轮毂比为0.56。动叶叶片数为18,静叶叶片数为13。动叶与机壳的径向配合间隙为3.4mm,设计安装角为34.3°,转速为740r/min。气体密度为标准工况的1.2kg/m3 。图1给出叶片顶切后子午面的变化示意图。

图1  叶片顶侧切割示意图

  计算时对动叶和导叶各取一个叶片通道。计算进口选择在动叶进口前1.5倍弦长处,出口在导叶后3.5倍弦长处。动叶和导叶网格分别独立生成,通过混合面结合起来。网格共划分为三块:动叶通道部分、动叶叶顶间隙和导叶通道(包括扩散筒)部分。计算采用的湍流模型为Spalart-Allmaras湍流模型。
  对该风机叶轮进行轮毂比为0.6,0.65,0.7和0.75的四种叶顶切割,对应的切割量分别为叶片原来长度的15%,30%,45%和57%。切割前后叶轮几何参数见表1,相应的计算网格分布见表2。

表1   叶轮顶侧切割前后叶轮参数

工况

进口直径/mm

轮毂/mm

出口直径/mm

动叶间隙/mm

最高效率流量/(kg/s)

切割前

3556

1996

3828

6.2

660

轮毂比 0.6

3326

1996

3598

6.65

430

轮毂比 0.65

3070

1996

3342

5.37

340

轮毂比 0.7

2852

1996

3070

3.4

300

轮毂比 0.75

2661

1996

2933

3.32

210

表 2 风机主通道网格分布

轮毂比

风机区域

网格总数

0.56

动叶

347611

动叶叶顶间隙

导叶

314237

0.6

动叶

322111

动叶叶顶间隙

导叶

288585

0.65

动叶

290183

动叶叶顶间隙

导叶

267197

0.7

动叶

256390

动叶叶顶间隙

导叶

243089

0.75

动叶

159111

动叶叶顶间隙

导叶

136125

  切割后风机的子午面网格见图2。对每个切割后的风机,进行了五种动叶安装角度的计算。为简洁起见,本文中只给出了动叶安装角度为29.3°,34.3°及39.3°的性能曲线计算结果。

图2  切割后风机子午面网格分布

  假设气流轴向进气,进口边界条件给定流动角和滞止状态参数,出口边界条件给定质量流量,内外环壁及叶片表面均为无滑移、绝热壁面。为了保证计算结果的网格无关性,本文进行了几种不同网格分布规律的计算对比,同时,也进行了网格加密计算,计算结果变化很小,表明已到达网格无关要求。
2   计算结果及分析
  由于叶片切割前后风机流量变化极大,为了便于与原始叶片作对比分析,本文采用两种流量系数的表示方法对叶片顶切前后的风机性能作对比,以研究顶切后风机性能的变化规律。为了方便对比,风机的全压都采用压比表示。
  第一种:采用平均轴向速度与轮毂处圆周速度的比值来表示,这与轴流压缩机的流量系数表示方法类似。

   (1)

式中,rt为叶轮外半径,rh为轮毂半径。这里选择轮毂处的圆周速度Uh,而不是通常所用的叶轮外径处速度Ut,是为了方便统一流量系数范围。

  第二种:采用通风机常用的流量系数定义,即:

     (2)

式中,Dt为叶轮外径,Ut为叶轮外缘的圆周速度。
  为了方便比较并发现其中规律,将同一种安装角度下,不同轮毂比的风机性能放在一起进行比较。

2.1   按第一种流量系数Q方法表示的风机无因次性能曲线对比
  数值计算表明,该风机的设计规律为等环量,故风机轴向速度ca沿半径分布为常数。由此推测,在设计安装角度为34.3°的条件下,叶片切割后,风机最佳效率对应的流量应基本与通流面积成正比,而且风机的压比也基本保持不变。

图3  动叶安装角34.3°时的效率和压比按1的无因次对比

  由图3a可以看出,轮毂比为0.56,0.6,0.65的性能曲线相互接近,当轮毂比为0.7,0.75时,风机性能开始变差,特别是1小于0.9后,轮毂比为0.75的风机压力和效率明显降低。每种轮毂比的风机的计算效率曲线几乎都在实验数据上方。但由图3b可以发现,轮毂比为0.56,0.6和0.65的风机在大流量区的压力曲线与实验数据比较接近;而轮毂比为0.7和0.75的风机压力曲线在大流量区的压力增大。通过流场分析发现:大流量时风机叶片在叶根处加功量大于叶顶处,因而切割叶片削掉的是做功较小的部分,因此叶顶切割量较大(即轮毂比较大)时,大流量的风机出口压力增加就较明显。

图4  动叶安装角39.3°时的效率和压比按1的无因次对比

图5  动叶安装角29.3°时的效率和压比按1的无因次对比

  由图4可以看出当叶片安装角比设计角度增加5°(39.3°)时,轮毂比0.75的风机效率显著降低。轮毂比0.7的风机的性能曲线与其他轮毂比的性能曲线相差也较大。
  图5是动叶安装角减小5°(29.3°)的情况。同样的,轮毂比0.7和轮毂比0.75的风机性能曲线也与其他轮毂比的风机性能曲线相差较大。这说明,当轮毂比大于0.7时,原来风机的无因次性能曲线已不能适用或表示切割后风机的性能曲线。

图6  动叶安装角34.3°时的效率和压比按2的无因次对比

图7  动叶安装角39.3°时的效率和压比按2的无因次对比

图8 动叶安装角29.3°时的效率和压比按2的无因次对比

2.2 按第二种流量系数2方法表示的风机无因次性能曲线对比
  图6~图8为按第二种流量系数方法汇总的风机性能曲线。可以看出,随着轮毂比的增大,风机流量系数范围向小流量系数范围移动,特别是轮毂比为0.75的风机,在动叶设计安装角度下(图6),其流量系数范围为0.21~0.4,而轮毂比为0.56的风机的流量范围为0.27~0.47。类似的变化在动叶安装角度增大(即39.3°)和减少的情况下(即29.3°)也都存在。轮毂比切割到0.7以上后,风机的效率和压力变化趋势与按流量系数1表示的趋势一致,即效率下降,另外,当采用第二种流量系数的表示方法时,由于性能曲线向小流量范围移动,叶片顶切后大轮毂比的风机压力曲线更加平坦的趋势被掩盖了。
3     结论
  1) 当进行叶片顶切使原风机的轮毂比从0.56变化为0.6和0.65时,即叶片切割小于叶片长度的30%,风机的效率和压力变化不大。按类似于轴流压缩机所采用的流量系数(但采用轮毂处圆周速度)和压比表示的风机无因次性能曲线基本不变。但是,当进一步切割叶片后,风机的效率将明显下降,稳定工况范围减小。
  2) 用类似于压缩机所采用的流量系数方法表示的风机无因次参数,可以较清楚地看出叶片顶切对轴流风机性能影响的趋势;而采用通风机常用的流量系数表示方法,却不能较明显地表示出轴流风机性能随叶片顶切的变化趋势。
  3) 从两种流量系数表示方法均可以看出,叶片切割使得轮毂比为0.7和0.75时,轴流风机的工况范围明显变窄,效率下降。另外,轮毂比为0.7和0.75时流量-压力曲线比未切割叶片的风机压力曲线明显平坦了许多,即大流量时风机所产生的压力较大。

                参 考 文 献

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