1、前 言
大型軸流引風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠的主要輔機(jī)，它的性能好壞直接關(guān)系到電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性，目前300 MW火電機(jī)組上采用的鍋爐引風(fēng)機(jī)多為豎直方向進(jìn)氣的軸流引風(fēng)機(jī)。該引風(fēng)機(jī)的進(jìn)口段是形狀復(fù)雜的進(jìn)氣箱，進(jìn)口截面為矩形，出口截面為圓形，即它的幾何形狀為一變截面的900彎道，再加上繞流軸套，故其內(nèi)部流動(dòng)非常復(fù)雜。關(guān)于進(jìn)氣箱內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)以及引起的不均勻流動(dòng)等方面的研究除文獻(xiàn)外，見(jiàn)諸報(bào)道的論文較少。諸如進(jìn)氣箱的結(jié)構(gòu)和前導(dǎo)葉形式、位置等來(lái)流條件將較大程度地影響引風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和性能。在CFD技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)值計(jì)算的手段可以比較好地指導(dǎo)對(duì)引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、改造工作。
本文圍繞某電廠軸流引風(fēng)機(jī)中流動(dòng)特性進(jìn)行探討。采用數(shù)值計(jì)算的手段對(duì)帶前后導(dǎo)葉的軸流引風(fēng)機(jī)中的內(nèi)流問(wèn)題進(jìn)行研究，尤其對(duì)復(fù)雜進(jìn)氣箱中的流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，來(lái)說(shuō)明進(jìn)氣箱的復(fù)雜形狀和配套的軸套結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)性能的影響，所得結(jié)果為更好的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。另外，對(duì)葉輪進(jìn)口預(yù)旋形式和前導(dǎo)葉位置的影響等問(wèn)題進(jìn)行分析，旨在找到合理的方案。并利用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值計(jì)算的精度予以說(shuō)明。
2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本文研究的軸流引風(fēng)機(jī)為動(dòng)葉可調(diào)式，其葉輪外徑為2.88 m，輪轂直徑為1.8 m，葉片為翼型，設(shè)計(jì)工況下的安裝角為380，葉片數(shù)為30；設(shè)置前導(dǎo)葉16片，采用兩段圓弧加直線段的結(jié)構(gòu)，進(jìn)口采用負(fù)預(yù)旋；后導(dǎo)葉27片，單圓弧結(jié)構(gòu)。該引風(fēng)機(jī)是從豎直方向進(jìn)氣，經(jīng)復(fù)雜的進(jìn)氣箱，將氣流方向轉(zhuǎn)移至軸向。電機(jī)轉(zhuǎn)速為990 r／min，設(shè)計(jì)流量為240.2m3／s。
圖1為引風(fēng)機(jī)的平面示意圖，圖中示出了幾個(gè)主要部件，包括進(jìn)氣箱、動(dòng)葉以及前后導(dǎo)葉等。圖2為數(shù)值計(jì)算的模型圖，為了便于網(wǎng)格離散，沿著流線方向?qū)⒄麄�(gè)區(qū)域分成了6個(gè)計(jì)算域。
3、數(shù)值分析方法
數(shù)值計(jì)算選用Realizable湍流模式來(lái)封閉Reynolds時(shí)均N-S方程。采用的離散方法是有限體積法，以此來(lái)將控制方程轉(zhuǎn)化為能夠數(shù)值求解的離散代數(shù)方程，其中動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散等均采用二階迎風(fēng)差分格式離散。這些方程采用分離隱式法求解，通過(guò)SIMPLE算法來(lái)耦合壓力與速度。考慮到氣流的最大線速度及密度變化，氣流采用可壓縮處理。選用的邊界條件為質(zhì)量進(jìn)口和壓力出口。
引風(fēng)機(jī)計(jì)算域全部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，初始網(wǎng)格數(shù)目為100萬(wàn)，這給求解過(guò)程中基于一定求解結(jié)果的岡格自適應(yīng)留下了適量的細(xì)化空間。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)后的網(wǎng)格數(shù)目在160萬(wàn)左右。對(duì)于如此之多的網(wǎng)格數(shù)目，為了縮短計(jì)算時(shí)間，本文運(yùn)用了并行計(jì)算。單機(jī)計(jì)算每步耗時(shí)3分鐘，兩臺(tái)同樣配置的計(jì)算機(jī)并行計(jì)算每步耗時(shí)不到1分鐘，并行優(yōu)勢(shì)明顯。求解過(guò)程中，當(dāng)殘差減小至10_4量級(jí)以下且計(jì)算域進(jìn)出口質(zhì)量流量誤差小于O.l%時(shí)認(rèn)定收斂，此時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)可用于結(jié)果分析。
4、內(nèi)流結(jié)果分析
4.1進(jìn)氣箱的影響
風(fēng)機(jī)前置進(jìn)氣箱會(huì)增大葉輪進(jìn)口和輪轂面附近的湍流度，使內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定性增大。所以有必要對(duì)其流動(dòng)情況進(jìn)行分析，進(jìn)氣箱中良好的出流條件會(huì)明顯改善下游的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
圖3為進(jìn)氣箱中不同位置截面上的矢量圖，圖中顯示，豎直方向的來(lái)流在向著軸向過(guò)渡的過(guò)程中對(duì)軸套產(chǎn)生了較大的沖擊，局部損失比較大。圖4為氣流繞流軸套的流線圖。豎直方向的來(lái)流在遇到軸套后，大部分氣流直接作90°的拐彎，方向轉(zhuǎn)至軸向，少部分氣體繞過(guò)軸套后從軸套下方轉(zhuǎn)至軸向，這樣一來(lái)，勢(shì)必引起經(jīng)過(guò)進(jìn)氣箱后流動(dòng)的周向不均。
圖5給出了進(jìn)氣箱出口不同徑向位置處氣流的軸向速度沿周向的分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，軸向速度出現(xiàn)明顯的周向不均，隨著半徑的增大，軸向速度略微呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。這種明顯的不均勻作用到下游的旋轉(zhuǎn)部件上，會(huì)使得葉道流量出現(xiàn)明顯的周向不均，這會(huì)造成流入葉道的氣流攻角周向不均。對(duì)于葉輪這一旋轉(zhuǎn)部件而言，這種周向不均實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)為每個(gè)葉片上所受的載荷出現(xiàn)周期性的變化，這種強(qiáng)烈的變化可能誘發(fā)葉片大的振動(dòng)，影響氣動(dòng)性能、降低部件壽命。
因此可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整軸套的尺寸和改進(jìn)進(jìn)氣箱的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)改善進(jìn)氣箱中的流動(dòng)情況。另外，不均勻性對(duì)下游流動(dòng)部件影響的定量分析和在進(jìn)氣箱中配備性能較好導(dǎo)葉以改善不均勻性等方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。
4.2進(jìn)口預(yù)旋的影響
本文對(duì)葉輪進(jìn)口正負(fù)預(yù)旋和無(wú)預(yù)旋情況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其中正負(fù)預(yù)旋方案的預(yù)旋角分別為200和-200。在下面的研究分析中，定義rt為葉高，th為輪轂半徑。
圖6為三種不同方案葉輪進(jìn)出口處周向速度沿徑向的分布。葉輪進(jìn)口處，零預(yù)旋情況下，周向速度分布均勻，速度幾乎為零；而負(fù)預(yù)旋時(shí)，速度分布沿著翼展方向略微呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，其值維持在-60 m／s左右；在正預(yù)旋時(shí)，速度沿著翼展方向呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。葉輪出口處，零預(yù)旋時(shí)速度分布依然比較均勻，其值在50 m／s附近；而負(fù)預(yù)旋中不同徑向位置的周向速度變動(dòng)較大；正預(yù)旋進(jìn)出口處的速度分布差不多。相比之下，正預(yù)旋方案時(shí)葉輪的做功能力最差；負(fù)預(yù)旋方案下的做功能力較零預(yù)旋更強(qiáng)。
給定全壓升系數(shù)的計(jì)算公式：Cp=△p/(0.5pC2)。圖7為三種方案中葉輪進(jìn)出口處的全壓升系數(shù)分布。在葉輪進(jìn)口處，從圖中可以看出進(jìn)口預(yù)旋形式較大的影響了引風(fēng)機(jī)進(jìn)口段的損失。其中，負(fù)預(yù)旋時(shí)總壓系數(shù)沿徑向的變動(dòng)最為明顯，而且值最小。葉輪出口處，總壓升沿著翼展均呈現(xiàn)緩慢的增加趨勢(shì)。三種方案均顯示出沿著翼展方向葉片的做功能力相當(dāng)。
通過(guò)比較表明，負(fù)預(yù)旋雖然加大了葉輪對(duì)氣體的做功量，同時(shí)也明顯增大了進(jìn)口段全壓損失且惡化了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。
4.3前導(dǎo)葉位置的影響
從葉片部件出來(lái)的氣流，其湍流強(qiáng)度肯定有所加強(qiáng)，如果沒(méi)有足夠的衰減空間，在進(jìn)入下一個(gè)葉片部件時(shí)勢(shì)必會(huì)影響其效率，所以葉輪間距不宜太小，小的間距將導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲增加；當(dāng)然間距也不宜大，因?yàn)榇蟮拈g距會(huì)增大風(fēng)機(jī)的軸向尺寸。
基于這些因素，該部分比較了帶負(fù)預(yù)旋的前導(dǎo)葉在距離動(dòng)葉不同軸向位置時(shí)的性能，如圖8所示。隨著前導(dǎo)葉和動(dòng)葉的間距增加，風(fēng)機(jī)壓升逐漸減小；而其效率呈現(xiàn)出先增加后減小的態(tài)勢(shì)，因?yàn)樵谛￠g距情況下，動(dòng)葉與靜葉之間一定程度上的干涉影響了氣動(dòng)性能，當(dāng)間距增加到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加，相應(yīng)地增加了沿程損失。
圖9是前導(dǎo)葉和動(dòng)葉間距分別為170 mm和70mm兩種方案時(shí)豎直平面上的湍流強(qiáng)度分布。相比圖9(a)，圖9(b)中由于前導(dǎo)葉和動(dòng)葉的間距較大，使得從前導(dǎo)葉流出氣體的湍流強(qiáng)度有更大衰減空間，因此其湍流強(qiáng)度的分布更為均勻，而且湍流強(qiáng)度值更小，流動(dòng)結(jié)構(gòu)更好，這和圖8所表現(xiàn)出來(lái)的外特性是吻合的。
縱觀整個(gè)流動(dòng)區(qū)域，兩種方案中的湍流強(qiáng)度沿流線方向均表現(xiàn)出了相同的演變規(guī)律。由于進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，氣流經(jīng)過(guò)后湍流強(qiáng)度有所加強(qiáng)。在前導(dǎo)葉區(qū)域，湍流強(qiáng)度逐漸增大，其梯度方向基本上沿著流動(dòng)方向。在動(dòng)葉中，湍流強(qiáng)度的變化劇烈，在出口下游的輪轂處出現(xiàn)最大值，圖9(a)中最大值的位置要靠前。另外，后導(dǎo)葉和動(dòng)葉間的距離較大，這樣的布置是保證從葉輪出來(lái)的高湍流強(qiáng)度的氣流有足夠的衰減距離，從而避免在后導(dǎo)葉進(jìn)口處出現(xiàn)較大的流場(chǎng)波動(dòng)和噪音。
5、性能對(duì)比
本文將帶前后導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方案在不同工況點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算的性能曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖10所示。
圖中顯示數(shù)值計(jì)算的壓力值較實(shí)驗(yàn)值高，效率值要低，變化趨勢(shì)一致。這有可能為數(shù)值計(jì)算中動(dòng)葉的安裝角和實(shí)驗(yàn)中的偏差所致。另外，在前、后導(dǎo)葉的處理上，數(shù)值計(jì)算中對(duì)幾何模型作了一定的近似處理，這也是引起差別的原因之一。隨著接下來(lái)在軸流引風(fēng)機(jī)中數(shù)值計(jì)算自身的不斷完善，以及數(shù)值計(jì)算的計(jì)算模型與實(shí)物模型的更接近，兩種結(jié)果會(huì)更加符合。
6、結(jié) 論
本文對(duì)帶有前后導(dǎo)葉和復(fù)雜進(jìn)氣箱的軸流引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全三維的數(shù)值計(jì)算，其間采用了網(wǎng)格自適應(yīng)和并行計(jì)算的技術(shù)，力求更為合理地利用計(jì)算資源，提高計(jì)算的速度和精度。本次計(jì)算較好地捕捉到了軸流引風(fēng)機(jī)中一些重要的流動(dòng)特征，得出了一些有價(jià)值的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)象充分說(shuō)明風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且部件之間的相互關(guān)聯(lián)非常緊密。
(1)復(fù)雜進(jìn)氣箱中的流動(dòng)狀況不甚理想，其復(fù)雜的形狀和不合理的軸套結(jié)構(gòu)會(huì)增大流動(dòng)的不穩(wěn)定性和損失，并引起了下游流動(dòng)的周向不均勻性，這種不均勻性會(huì)影響下游葉輪流道中的流量不均，從而引起每個(gè)葉片所受的載荷發(fā)生周期性的變化，這種強(qiáng)烈的變化可能誘發(fā)葉片大的振動(dòng)，影響氣動(dòng)性能、降低部件壽命。開(kāi)展對(duì)進(jìn)氣箱形狀和軸套結(jié)構(gòu)的改進(jìn)工作有必要。
(2)通過(guò)對(duì)比不同的預(yù)旋方案，發(fā)現(xiàn)在零預(yù)旋情況下葉片翼展方向上各處的做功能力相當(dāng)，而且進(jìn)氣段損失小；正預(yù)旋下的做功能力最小；負(fù)預(yù)旋方案雖然加大了葉輪對(duì)氣體的加功量，同時(shí)也明顯增大了進(jìn)口段全壓損失且惡化了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
(3)研究了前導(dǎo)葉位置對(duì)流動(dòng)、性能的影響，通過(guò)對(duì)比得到了相對(duì)合理的前導(dǎo)葉位置。
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