轴流风机叶片切割后的性能及静力结构特性

叶学民，丁学亮，李春曦

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定071003）

目前，大型火力发电机组的送、引风机和一次风机多采用轴流风机，其中动叶可调轴流风机因其高性能而受到广泛应用.但实际运行中，轴流风机在额定负荷下的参数明显偏离最高效率点对应的设计参数，低负荷时运行效率则更低，因此增加了风机电耗，使其高运行效率特征大打折扣.这是因为在风机选型时，出于机组安全性的考虑，往往采用偏大的裕量系数，从而使额定负荷下的实际工况点与最高效率点对应的参数相差约30%，最高甚至达60%［1］.为满足机组负荷的调节要求，常常需对动叶安装角进行深度调节，使其效率进一步降低，进而造成高效轴流风机长期处于中低负荷下低效运行的普遍现状，严重影响机组的运行经济性.

因此，如何对现有轴流风机进行适当改造，使其运行在高效区显得迫在眉睫.在满足负荷需求和尽可能减小动叶安装角调节幅度的前提下，叶片切割是使运行工况点效率处于高效区的有效措施，也是燃煤电厂深化节能减排策略的重要方面.因此，深入研究风机叶片切割后在不同安装角下的运行性能有重要意义.

目前，对轴流风机的研究大多致力于叶顶间隙［2-8］或安装角［9-12］对风机性能的影响.针对等环量设计的动叶可调轴流风机，吕峰等［13］对叶片顶切的风机进行了数值模拟，得到不同轮毂比时的性能曲线，并用2种流量系数表示方法进行分析，但其未考虑叶顶间隙不变对风机性能的影响.刘洋等［14］讨论了不同叶顶间隙对风机性能的影响.叶学民等［15-16］研究了轴流风机多动叶安装角非同步调节的内流和运行特征，分析了安装角异常对总压和效率的影响.对于叶片切割前后的轴流风机性能，仅李春曦等［17］分析了在某一叶片安装角下叶片切割后的参数关系，但并未给出低于设计工况下的运行和静载荷特征的变化.

鉴于目前动叶可调轴流风机的负荷大多低于设计值，且叶片切割是使其运行于高效区的有效措施，而针对不同安装角下叶片切割后的风机性能研究尚不完善.为此，笔者采用Fluent软件对OB-84型动叶可调轴流风机进行三维数值模拟，研究当体积流量小于设计值时，在不同安装角下叶片采取不同切割量且保持叶顶间隙不变时的风机性能、噪声和叶片静力结构特性，为实际改造提供参考依据.

1 计算模型

1.1 物理模型

图1中，以OB-84型带后置导叶的动叶可调轴流风机模型为研究对象，计算区域包括从集流器到扩压器的全部内流通道.该风机有14片动叶、15片导叶，基元翼型为NACA 翼型，转速为1 200r／min，原风机叶片直径为1 500mm.叶片切割后，因叶顶间隙增大将导致风机泄露损失增加，使风机运行性能显著下降.为此参照文献［18］，在对应动叶处的机壳内表面加装圆筒，保持叶顶间隙不变，同时实现加装圆筒前后平滑过渡以减少损失，如图2所示.

图1 风机模型及计算域示意图Fig.1 Diagram and calculation domain of axial flow fan

图2 保持叶顶间隙不变时的风机结构Fig.2 Structure of the axial flow fan with tip clearance unchanged

1.2 网格划分

基于动叶可调轴流风机的结构特点，采用分区和局部加密划分方法，将计算域分成集流器、动叶区、导叶区和扩压器4部分（见图1）.针对动叶内部流动特征，在动叶区采用加密网格，而集流器、导叶区和扩压器采用稀疏网格.为验证数值计算结果的网格无关性，选取4组网格数，对设计体积流量qV＝37.12m3／s下的风机性能进行数值模拟，如表1所示.由表1可知，不同网格数下的全压和效率变化不大，考虑到计算资源和时长，选取整机计算网格数为2 347 660.

表1 网格无关性验证Tab.1 Verification of grid independence

1.3 计算模型及边界条件

模拟采用Realizablek-ε湍流模型，该模型可有效解决旋转运动、强逆压梯度的边界层流动分离、二次流及回流等情形［19］.计算中，将风机集流器进口截面作为整个计算域的进口，边界条件设为进口速度；扩压器的出口截面作为整个计算域的出口，边界条件设为自由流出.

2 模拟结果与分析

2.1 风机性能比较

为保证计算结果的准确性，首先对安装角β＝32°且未切割时的风机进行数值模拟.结果表明，在模拟体积流量范围内（29m3／s≤qV≤47m3／s），所得全压和效率与文献［20］中的数据相比，偏差分别为3.1%和2.6%，因此保证了本文数值模拟的可靠性.

因OB-84型动叶可调轴流风机在动叶安装角β＝32°下运行具有最高效率，且β＝29°～35°为高效调节范围，因此选取β＝29°、32°和35°进行分析.图3给出了不同切割量下的风机性能曲线，图中Δ为切割量，即叶片切割长度占叶片总长度的百分比.由图3可知，不同体积流量下叶片切割量对性能曲线的影响有所不同.当qV≥35m3／s时，叶片切割后全压和效率性能曲线下移，且随体积流量的增大，全压和效率的降幅均增大，因此，叶片切割可显著降低该体积流量区的运行性能.当qV＜35m3／s时，原风机在不同安装角下的全压曲线均存在不稳定运行区（简称不稳定区），且安装角越大，不稳定区越宽；β＝35°时，驼峰曲线下降趋势随切割量的增大而减缓，甚至在β＝29°和β＝32°时，驼峰外形基本消失，因此叶片切割可有效减小不稳定区范围.在此范围内的效率曲线也有不同程度改善，当qV＝29.98 m3／s、β＝29°时的效率随切割量增大而小幅减小，但仍高于原风机效率；当qV＝32.73 m3／s时，β＝32°对应的效率随切割量增大无明显变化，而小于此流量时，叶片切割量越大，风机效率反而提高；当qV＝34.16 m3／s时，β＝35°下的风机效率变化特征与β＝32°下的风机效率变化特征类似.

此外，图3（a）中，在qV＝26～28 m3／s内，当Δ＝0%和Δ＝5%时，不仅风机效率随体积流量减小而降低，而且全压也明显降低，即风机处于不稳定运行区；但Δ＝10%和Δ＝15%时的全压和效率曲线则得到明显改善.如进一步减小体积流量至22～26 m3／s，全压和效率均显著降低，不稳定区进一步恶化，实际情况下风机也不会运行在该区域.考虑到风机的实际负荷，以下仅讨论qV＝30～46 m3／s内的风机性能.

从图3 还可以看出，切割量不变时，安装角由29°增大至35°，且当qV≥42m3／s时全压和效率随安装角增大而提高；而当qV＜35m3／s时，安装角越大全压曲线的驼峰外形更加明显；最高效率点对应的体积流量随安装角的增大向流量增加方向移动.综上所述，叶片切割可改善甚至消除风机在低于额定体积流量下的不稳定运行区，且切割后风机效率变化不大或有不同程度提高，表明叶片切割可优化风机在该体积流量区的运行性能，并有效解决裕量过大的问题.虽然通过改变安装角也能在一定程度上改善裕量过大的问题，但效果劣于叶片切割.

图3 风机性能曲线Fig.3 Performance curves of the axial fan

2.2 噪声预估

考虑到目前风机的实际体积流量大多低于设计值，笔者针对qV＝33.29 m3／s（约为设计体积流量的90%）展开分析.为探究叶片切割和安装角对风机噪声的影响，图4给出了叶轮中间截面声功率级分布，旋转方向如图所示.由图4可知，流道中声功率级等值线近似呈环状从流道中心向外侧分布，在叶顶出现最大噪声源，低噪声则在流道中部附近且在旋转作用下更靠近压力面.

叶片未切割时，如图4（a）～图4（c）所示，不同安装角下声功率级最大值和最小值均相同，当β＝35°时存在2个高噪声区，分别位于叶片顶部和靠近吸力面位置，这是由于气流与叶片间的冲角增大，进而造成气流对叶片冲击所致.β＝29°、32°和35°时，叶轮中间截面声功率级平均值分别为46.04dB、47.78dB和55.13dB，因此，安装角越小，噪声水平越低.叶片切割后，如图4（d）～图4（f）所示，声功率级最大值和最小值均比未切割时小幅减小；且声功率级分布与叶片切割量关系密切，叶片切割量越大，低噪声区逐渐扩大且有向流道中部移动的趋势；β＝29°，Δ＝5%、10%和15%时，对应的中间截面声功率级平均值分别为44.05dB、38.64dB 和38.91 dB，即随着切割量的增大，中间截面上的声功率级总体呈减小趋势；另外，与叶片未切割相比，声功率级显著减小.因此，减小动叶安装角和增大切割量均可使风机噪声水平下降，但叶片切割后的效果要优于改变动叶安装角.

图4 叶轮中间截面声功率级分布Fig.4 Contours of sound power level at middle cross section of the impeller

2.3 静力结构分析

叶片切割及改变安装角后，叶片表面载荷将随其附近流场的改变而改变.因此，对其进行静力强度校核以保证风机安全运行.

选用Ansys静力结构分析模块研究叶片表面的总变形和等效应力分布.因气流通过流道使叶片表面产生弯曲应力和扭转应力，同时叶片还要承受叶轮旋转产生的离心力，故计算中叶片加载重力、离心力和气动力3种载荷［21］.采用第四强度理论对轴流风机叶片进行强度校核，选取材料的屈服极限作为极限应力.塑性材料的许用应力［σ］＝σs／ns，其中，σs和ns分别为屈服强度和安全系数.一般来说，对于弹性结构加载静力载荷，ns＝1.5～2.所研究风机叶片的材料为铸铝ZL101，其屈服强度σs为180 MPa，ns取值为2，可得叶片的许用应力为90MPa.

2.3.1 总变形分布

qV＝33.29m3／s时的叶片总变形分布见图5.由图5可知，不同情形下叶片总变形的分布规律相似，等值线沿对角线方向变化，叶根区总变形为零，最大值位于叶顶前缘.这是离心力和气动力相互作用产生的结果，离心力使叶片沿径向拉伸，而在气动力作用下会产生垂直叶片方向的形变.叶片未切割时，随着安装角的增大，最大总变形增大，且其范围也随之扩大.β＝29°时，随叶片切割量的增大，总变形最大值逐渐减小，同时在叶底后缘处出现形变且其范围变大.因此，叶片切割和改变安装角并未影响总变形分布，而叶片切割可使总变形达到更小水平.

2.3.2 等效应力分布

图6和图7分别为叶片压力面和吸力面等效应力分布.由图6可知，叶片中上部等值线沿叶高方向近似呈平行直线分布，而根部等值线分布较为复杂，压力面最大等效应力位于叶片根部靠近前缘区域，向叶顶和后缘方向呈逐渐减小趋势，叶顶和叶根后缘出现较小等效应力区.这是因为叶根固定在轮毂上且截面积最大，在叶轮转动过程中承受整个叶片的离心力，因此应力集中于叶片底部.叶片未切割时（见图6（a）～图6（c）），β＝29°和β＝32°时的最大等效应力值相差不大，且均低于β＝35°情形，而最小等效应力值则随安装角的增大而增大.图6（d）～图6（f）中，β＝29°时不同切割量下的最大等效应力值分别为0.366MPa、0.348MPa和0.336MPa，与未切割时相比分别减小了9.6%、14.1%和17.0%.因此，最大等效应力随切割量的增大而减小.

由图7可知，吸力面等效应力分布比压力面要复杂，但等效应力同样集中于叶片根部，叶片中上部等效应力较小.在叶根处存在2个应力集中区，分别靠近前缘与后缘，同时，在叶底中部存在一椭圆形低等效应力区，叶片吸力面大部分等效应力值均处于较低水平.图6 和图7 中的最大等效应力值为0.721 MPa，远低于许用应力90MPa，因此满足静强度要求.可见，叶片切割及改变安装角并不改变等效应力分布规律，只对等效应力值有所影响；改变安装角和叶片切割均可降低等效应力，但叶片切割的方式更有利于风机安全运行.

图5 叶片总变形分布Fig.5 Total deformation distribution of the blade

图6 叶片压力面等效应力分布Fig.6 Equivalent stress distribution on pressure surface of the blade

2.4 经济性分析

图8给出了qV＝33.29m3／s、β＝29°和β＝32°时轴功率和效率随切割量的变化.由图8可知，β＝29°时的轴功率和效率均随切割量的增大而降低，而β＝32°时的效率基本保持不变；β＝32°时，Δ＝10%和Δ＝15%的轴功率均小于β＝29°、Δ＝0%的情形.可见，切割量Δ≥10%时，采用叶片切割方式的经济性优于改变安装角.

为保证机组安全运行，风机选型时需留有一定裕量，但裕量过大可导致风机运行在低效区，进而影响机组经济性.根据文献［1］选取体积流量裕量和全压裕量分别为10%和30%，以分析轴流风机全年运行的经济性.当体积流量裕量为10%时，机组在100%和90%负荷运行时分别对应风机体积流量为设计体积流量的90%和80%，由性能曲线可知此时风机处于稳定工况区.表2为不同情形下风机的经济性比较，表中p100和p90分别为机组100%和90%负荷下的风机全压，假设风机全年运行7 000h，方案1～方案5 分别代表全年100%负荷、全年90%负荷、全年100%和90%负荷各占1／2、全年100%和90%负荷各占2／3 和1／3，以及全年100%和9 0%负荷各占1／3和2／3.设计工况下，风机体积流量和全压分别为37.12m3／s和2 254Pa，当体积流量裕量和全压裕量分别为10%和30%时，对应机组所需的体积流量和全压分别为33.41 m3／s 和1 577.8Pa，机组满负荷运行时，风机运行于33.41 m3／s，此时全压为2 454 Pa，比系统所需全压高876.2Pa，因而机组经济性较差.由表2可知，叶片切割后的年耗电量随切割量的增大及安装角的减小而降低，但100%负荷下β＝29°、Δ＝15%时的全压低于1 577.8Pa，不能满足机组所需全压.虽然90%负荷下β＝29°、Δ＝15%时的全压能满足系统要求，但考虑到机组调峰的需要，叶片切割量应小于15%.从表2还可知，β＝29°、Δ＝10%时既可满足全压要求，又达到节能目的.为此，β＝29°、Δ＝10%可适用于机组在多种方案下运行并具有最佳的经济性，还可保证风机调节的灵活性.

图7 叶片吸力面等效应力分布Fig.7 Equivalent stress distribution on suction surface of the blade

图8 不同切割量下轴功率和效率的变化Fig.8 Variations of shaft power and efficiency at different rates of blade trimming

表2 不同情形下的经济性比较Tab.2 Economic comparison under different cases

3 结 论

（1）当qV≥35 m3／s时，全压和效率随切割量的增大及安装角的减小而降低，且体积流量越大降幅越明显.当qV＜35m3／s时，叶片切割可有效缩小不稳定区范围，使驼峰曲线下降趋势减缓甚至消失；同一安装角下，叶片切割后效率变化不大或有不同程度提高.同一切割量下，安装角由29°增大至35°，效率最高点对应的体积流量向流量增加方向移动.

（2）叶片切割可扩大流道内低噪声区的范围，进而降低噪声总体水平；改变安装角也可减小流道内的平均声功率级，但效果低于叶片切割.静力结构分析表明，叶片切割和减小安装角均可使最大叶片总变形和等效应力减小，但未改变其分布规律，且叶片切割对风机运行安全性更有利.

（3）风机年耗电量随切割量的增大及安装角的减小而降低，在满足系统所需全压条件下，β＝29°、Δ＝10%可适用于机组在多种方案下运行，并具有最佳经济性，可有效改善参数裕量过大的问题.

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