离心风机叶轮加装短叶片改造实验研究

吕玉坤，刘海峰，张 健

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

能源消耗大、噪声污染严重的风机是一种被广泛应用于国民经济各个部门的通用设备。通常使用的风机主要有轴流式风机、离心式风机和混流式风机。从行业角度来讲，离心式风机的使用量最大，约是轴流式风机的两倍多。在火电厂中风机是仅次于泵的耗电大户，其耗电量约占发电机组发电量的1.5%～3%，占厂用电量的25%～30%。而目前离心式风机在我国300 MW以下机组中占有较大比例［1～3］，因此研究和改造离心式风机，提高其效率，对火电厂的节能增效具有重要意义［1］。本文对风机实验室 G4－73№8D型离心式风机加装短叶片，并进行风机性能实验和噪声实验。

1 加装短叶片

短叶片采用点焊的方式进行焊接 (即只焊接短叶片的四个角)，在离心风机叶轮上加装短叶片如图1所示。

图1 加装短叶片后叶轮结构图Fig.1 Impeller with short－blade

2 风机实验台布置

本实验采用进出气实验装置，在风机实验室进行。实验台及实验设备布置如图2所示。实验装置主要由进气管道、实验风机、轴向导流器、测试管路、节流锥、连接管和测量装置等组成。

图2 实验台结构示意图Fig.2 Bench structure

2.1 流量测量

流量通过风机进气管道的进口集流器测量:

式中:εn为集流器膨胀系数，εn=1;φn为集流器流量系数，φn=0.99;An为集流器喉部截面积，m2;ρ为测定条件下的空气密度，kg/m3;pestj为集流器喉部静压，pestj=－9.806 65kl(Pa)。其中:k为微压计系数，实验中 k=0.6;l为微压计读数，mm。

2.2 全压测量

风机进口静压测点到风机进口之间距离l1的管道阻力损失，这部分损失以pw1表示:

式中:l1为测点到风机入口的距离，m;D1为风筒直径，m;pd1为进口静压测点的动压，pd1=

由于风机出口到出口静压测点之间也存在流动损失，使测得的静压比风机出口实际静压偏低。这部分损失用pw2表示:

式中:l2为风机出口到测点的距离，m;D2为风筒直径，m;pd2为出口静压测点的动压，pd2=

风机进、出气管道的静压和动压分别用U型管、微压计和皮托管测出。

2.3 有功功率计算

风机有效功率可直接由全压和流量按pe=pqV/1 000计算求得。若考虑气体在风机内流动的压缩性并忽略与外界的热交换，则叶轮对单位体积气体所作功为

式中:k为空气绝热指数，k=1.4。

2.4 轴功率、效率计算

轴功率Psh:风机轴功率用CYB－803S型扭矩传感器直接测量得到。

风机效率:

3 风机性能实验结果分析

3.1 全压实验结果分析

对加装短叶片前后的离心式风机进行风机性能实验，得到加装短叶片前后风机的全压无因次性能曲线如图3所示。

由图3可看出，当相对流量小于40%时，加装短叶片后的风机全压低于原风机全压，但最多不超过0.9%;当相对流量大于40%时，加装短叶片后的风机全压大于原有风机全压，而且随着相对流量的增大，比原风机全压高的越多;当相对流量在100%左右时，全压大约提高了6.5%;相对流量在120%时，全压大约可以提高8.5%。从风机工作的流量范围 (相对流量为48% ～130%)看，风机全压平均上升了约5.9%。

3.2 效率实验结果分析

加装短叶片前后风机无因次效率曲线如图4所示。

图3 风机全压无因次性能曲线Fig.3 Full－pressure dimensionless performance curve of fan

图4 风机效率无因次曲线Fig.4 Efficiency dimensionless performance curve of fan

对比风机改装前后，当相对流量小于27%时，加装短叶片风机的效率高于原风机效率，但是效率提高较小，最高不超过0.01%;相对流量在27%～42%之间时，原风机效率高于加装短叶片后的风机效率，但最高不超过0.2%，因这个区域处于风机允许运行的范围 (相对流量为48%～130%)之外，所以效率的改变对风机影响较小;相对流量在42% ～83%之间时，加装短叶片风机的效率与原风机效率几乎相等;相对流量在83%～111%时，加装短叶片风机的效率低于原风机效率，平均低约0.2%。原风机的最高效率点与加装短叶片后风机的最高效率点同处于这个区域，且两者最高效率大约只相差0.1%。当相对流量大于111%时，加装短叶片风机的效率高于原风机效率，平均增大约0.9%。由于电厂风机一般在相对流量为50%～100%下运行，而此时风机的效率改变很小，甚至可以忽略。所以在效率方面，改造前后的风机区别较小。从整体看，加装小叶片后风机的高效区得到拓宽，风机性能得到改善［4～6］。

3.3 噪声实验结果分析

测量噪声使用ND2型精密声级计和倍频程滤波器，该声级计适用于各类瞬时噪声的精密测量及噪声频谱分析。风机噪声测量遵循GB2888－1982《风机和罗茨风机噪声测量方法》，选用近场测声法进行。按照测量标准对不同工况下的风机近声场噪声声级与频谱进行了测量，测点布置如图5所示。

图5 风机噪声测点布置Fig.5 Fan noise measuring points

节流调节是最简便的风机流量调节方法，通过调整进、出口处的闸门或档板开度达到改变风机流量的目的［7～8］。本实验采用出口节流锥来调节风机流量。在变工况下，对加装短叶片前后的风机进行了A声级噪声及频谱噪声实验。经实验得到加装短叶片前后风机A声级噪声与风机流量间的关系曲线如图6所示。

图6 声压与流量无因次曲线Fig.6 Sound pressure and flow dimensionless curve

从图中可以看出，风机噪声随流量的增加先降低后升高，风机运行在相对流量为66%工况附近时噪声较低。从风机的结构看，其原因在于当风机在这个流量下运行时，叶轮与蜗壳有较好的适配关系，而运行在当相对流量小于55%时，风机的运行状况恶化，甚至产生严重的破坏性振动，因而噪声水平也较高。

与原有风机相比，加装短叶片后的风机整体噪声均有所上升。其中，当相对流量小于28%时，加装短叶片的风机噪声小于原叶轮的噪声;当相对流量大于28%小于81%时，原叶轮的降噪效果明显优于加装短叶片的叶轮，加装短叶片后风机噪声大约平均上升了1.1 dB;当相对流量大于81%时，加装短叶片风机与原风机噪声相差较小，平均上升了不足0.5 dB。考虑到短叶片为直叶片，没有光滑过度的前缘和尾缘，所以直接冲击气流可产生很大噪声;无完全焊接短叶片的漏风和泄漏间隙的增大都增加了噪声的来源。如果去掉这部分噪声，加装短叶片后的噪声将会有较大幅度的下降。

图7和图8分别给出了相对流量在91%和相对流量为105%时的噪声频谱图。

图7 相对流量为91%时风机倍程声压级曲线Fig.7 Sound pressure curve when relatively flow is 91%

从图中可以看出，在1 600 Hz以下时噪声随频率的增加变化不大，当频率大于1 600 Hz时噪声明显降低。原叶轮在250 Hz～300 Hz左右出现噪声峰值，该峰值是旋转噪声和旋涡噪声相互混杂的结果。其中，旋转噪声的频率为

式中:n为风机叶片轮转速，n=1 450 r/min;Z=12;i为谐波序号1，2，3，……。

i=1为基频，从噪声强度看，基频最强;i=2，3，4，……为高次谐音，其总趋势是逐渐减弱的。由式4可得该风机的旋转噪声基频为fr=290 Hz，因此在290 Hz附近原风机噪声以旋转噪声为主，总噪声为旋转噪声、旋涡噪声及振动噪声的叠加。而加装小叶片风机的旋转噪声基频为fr=580 Hz，因此在580 Hz附近，其噪声以旋转噪声为主［9～10］。

图8 相对流量为105%时风机倍程声压级曲线Fig.8 Sound pressure curve when relatively flow is 105%

对加装短叶片前后的风机噪声进行频谱对比，可知，在31.5～500 Hz的低频段，加装短叶片后的风机噪声与原风机噪声互有大小，总体小于原风机噪声，声压级下降约1～5 dB，平均下降约1.5 dB;当频率大于2 500 Hz时，原风机噪声与改造后风机噪声相差很小;当频率处于500～2 500 Hz之间时，加装短叶片后风机噪声显著增加，平均增大约2.5 dB。

考虑到叶片的增加导致射流—尾流结构数量增多，从而增加了旋涡噪声;短叶片焊接不严密增加了约24个小型高速射流，这些射流冲击叶轮中的主流，也增加了旋涡噪声;短叶片的出口并不完全与叶轮出口相配合，导致周期性冲击蜗壳内的旋涡，并与蜗壳内流动偶合，产生旋转噪声。因此，如果上述现象能够克服，那么风机噪声同样可以得到较好的控制。

4 结论

在分析离心式风机叶轮中流体流动情况的基础上，对电站中广泛使用的G4－73型离心式风机进行了改造，加装了短叶片，并做了在出口节流调节下的风机性能和噪声实验。结果表明，加装短叶片后，当风机处于额定转速 (1 450 r/min)且相对流量处于48%～130%内时，风机全压平均提高约5.9%，风机效率平均下降了不到0.1%，风机噪声增加约1 dB。当风机处于额定转速且相对流量小于40%时，风机全压下降约0.9%，噪声平均增加约0.3 dB。

因实验条件的限制，实验中存在很多不利于风机效率和风机全压提高的因素，因此，如果这些缺点能够克服，那么风机性能将得到进一步提高。

［1］孟宪德.风机节能应注意的几个问题 ［J］.煤炭技术，2004，23(3):15－16.

［2］刘秋洪.风机降噪研究的现状与分析 ［J］.流体机械，2001，29(2):29－32.

［3］刘雅琴.风机工况调节中的噪声特性 ［J］.噪声与振动控制，1997，(3):33－35.

［4］刘伯林，许明恒，许志浩.CFD在轴流式风机噪声预估中的运用 ［J］.机械，2003，30(5):29－31.

［5］中华人民共和国国家技术监督局:GB2888－1982－中华人民共和国国家标准－风机和罗茨风机噪声测量方法.北京:中国标准出版社，1983.

［6］刘志昌，吕玉坤.湍流模型在离心式风机蜗壳的应用 ［J］.中国电机工程学报，1995，15(1):54－60.

［7］吕玉坤，张健，康乐嘉，等.管道系统中的安装效应分析 ［J］.动力工程，2005，25(10):421－424.

［8］王保国.非结构网格下非定常流场双时间步长的加权ENO－强紧致杂交高分辨率格式 ［J］.工程热物理学报，2005，26(6):941－943.

［9］徐忠.离心式压缩机原理 ［M］.北京:机械工业出版杜，1990.

［10］张士杰，袁新.多级轴流压气机全工况特性数值模拟 ［J］.工程热物理学报，2002，23(2):167－170.