田松峰，李 瀅，周 玉

（電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北省保定市，071003）

0 引言

火力發(fā)電廠中，引風(fēng)機(jī)將燃料燃燒后形成的煙氣從鍋爐中連續(xù)不斷地吸出，并經(jīng)由煙道排入大氣[1]。引風(fēng)機(jī)雖然設(shè)置在除塵器之后，但是由于除塵器并不能將煙氣中的全部固體微粒去除，剩余的固體微粒隨煙氣一起進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，特別是當(dāng)除塵器不能正常工作時(shí)，大量的飛灰顆粒將隨煙氣進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，造成引風(fēng)機(jī)劇烈磨損[2]。

計(jì)算流體力學(xué)（computation fluid dynanics，CFD）可以將流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與理論分析聯(lián)系起來(lái)，用數(shù)值模擬的方法研究流體運(yùn)動(dòng)的物理特性。本文采用CFD方法研究離心式通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流動(dòng)，對(duì)風(fēng)機(jī)降低磨損和提高安全性有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 引風(fēng)機(jī)模型

1.1 引風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

Y4-73型離心式引風(fēng)機(jī)的葉輪由12片葉片構(gòu)成，與后傾機(jī)翼斜切的葉片焊接于錐弧形的前盤(pán)與平板形的后盤(pán)中間。收斂、流線(xiàn)形的進(jìn)風(fēng)口制成整體結(jié)構(gòu)，用螺栓固定在風(fēng)機(jī)入口側(cè)。用來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)流量的裝置，軸向安裝在進(jìn)風(fēng)口前面。引風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中長(zhǎng)度單位為mm。

1.2 建立模型

應(yīng)用Fluent軟件的前處理模塊Gambit，建立引風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型。葉片采用簡(jiǎn)化的翼型葉片，以保證得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格。建立起引風(fēng)機(jī)的幾何模型后，分別對(duì)蝸殼曲線(xiàn)、葉輪出口圓、各個(gè)葉片、葉輪進(jìn)口圓建立面，之后采用布爾分割法將風(fēng)機(jī)分成蝸殼區(qū)域和葉輪區(qū)域[3]。

1.3 網(wǎng)格劃分

由于葉輪和蝸殼的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)復(fù)雜性不同，則網(wǎng)格的尺寸也不同，在劃分網(wǎng)格時(shí)，可分別劃分葉輪和蝸殼的網(wǎng)格。對(duì)于葉輪區(qū)域，由于受到強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)作用，其流場(chǎng)情況復(fù)雜，同時(shí)葉片結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，存在小尺寸結(jié)構(gòu)。因此，該區(qū)域的網(wǎng)格尺寸要盡可能小。但是，受計(jì)算機(jī)性能限制和可能出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格的影響，網(wǎng)格尺寸也不能太小。綜合考慮，葉輪區(qū)域選擇間距為0.8 mm的三角形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于蝸殼區(qū)域，其結(jié)構(gòu)相對(duì)于葉輪簡(jiǎn)單一些，但流動(dòng)比較復(fù)雜且受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，所以采用間距為1 mm的三角形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。引風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2 氣固兩相流數(shù)值模擬

2.1 基本方程

重整化群k-ε模型將重整化群的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于瞬時(shí)Navier-Stokes方程，該模型中的常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不同，且方程中出現(xiàn)了新的函數(shù)或項(xiàng)[4]。重整化群k-ε模型可應(yīng)用于不同類(lèi)型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)以及帶有分離的流動(dòng)。本文采用重整化群k-ε模型，對(duì)Y4-73型離心式引風(fēng)機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬。

2.2 邊界條件設(shè)置

在Gambit中設(shè)置求解器為Fluent 5/6，采用Simple算法對(duì)引風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬。根據(jù)不可壓縮流的特點(diǎn)，定義速度進(jìn)口和流量出口。壁面函數(shù)選取無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

引風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的速度邊界條件為勻速，其值為3.7 m/s。葉片選擇移動(dòng)壁面，葉輪出口為interface，蝸殼出口選擇流量邊界條件，葉輪內(nèi)的流體選擇Moving Reference Frame，其他邊界設(shè)為默認(rèn)的壁面邊界[5-6]。

2.3 結(jié)果分析

Y4-73型離心式引風(fēng)機(jī)的非定常流速度矢量如圖3所示。當(dāng)氣流流經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)，產(chǎn)生垂直葉片表面的相對(duì)速度，由于葉輪葉片不斷做功，氣體速度沿流動(dòng)方向不斷升高，氣流以較高的流速流入蝸殼，沿蝸殼通道逐漸減小[7]。

待非定常流動(dòng)收斂后，加入顆粒，采用離散相模型和拉格朗日顆粒軌道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并進(jìn)行如下假設(shè)：（1）流體在流動(dòng)過(guò)程中不可壓縮；（2）固體顆粒是具有相同直徑、密度均勻的球體；（3）當(dāng)固體粒子所占體積比例小于0.5%時(shí)，認(rèn)為粒子的存在對(duì)氣流參數(shù)的影響很小；（4）忽略粒子間的相互作用；（5）粒子在氣流中受到的作用力主要是氣體的黏滯阻力，其他力忽略不計(jì)；（6）氣固兩相具有相同的溫度場(chǎng)；（7）不考慮固相與壁面的摩擦力[8]。引風(fēng)機(jī)中顆粒的邊界條件如表1所示，表1中顆粒類(lèi)型為慣性顆粒。

表1 顆粒邊界條件及參數(shù)設(shè)置Tab.1 Boundary conditions and parameters of grain

表1中初始坐標(biāo)和速度的設(shè)定值表示顆粒隨氣相運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行顆粒數(shù)值模擬時(shí)，首先根據(jù)模擬時(shí)間選擇合適的啟停時(shí)間，再進(jìn)行初始化和迭代計(jì)算。數(shù)值模擬得到的顆粒分布狀態(tài)如圖4所示。

圖4中，顆粒主要在葉片的非工作面上沉積，固體顆粒從風(fēng)機(jī)入口進(jìn)入葉輪通道，首先有一小部分顆粒與葉片前緣相撞后發(fā)生反彈，而其余部分與吸力面碰撞后進(jìn)入葉輪通道，被氣流裹挾甩出葉輪。顆粒在黏性力和離心力的共同作用下，前進(jìn)一段距離后再次與葉片發(fā)生碰撞，而這次碰撞發(fā)生在葉片壓力面的后緣區(qū)域[9-10]。在這2個(gè)區(qū)域中與葉片發(fā)生碰撞的顆粒，若具有一定粘性且在流動(dòng)邊界層內(nèi)，就會(huì)在葉片表面沉積。而一旦有灰粒沉積就會(huì)引起葉片磨損，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)震動(dòng)噪聲過(guò)大，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)工作效率和性能[8]。

3 氣力吹灰

清除風(fēng)機(jī)葉輪上的積灰，常用的方法有水力吹灰和氣力吹灰。水力吹灰過(guò)程中存在沿程損失和局部阻力損失，為了滿(mǎn)足對(duì)噴水速度的要求，必須提高噴水壓力，因此需增大提升水壓所需的能量，同時(shí)增加了噴水量，使得風(fēng)機(jī)殼上的排水孔無(wú)法滿(mǎn)足及時(shí)排水的要求，從而出現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪浸泡于水中的現(xiàn)象，使噴水清灰失去意義。本文采用氣力吹灰方式來(lái)消除引風(fēng)機(jī)葉輪上的積灰。

在引風(fēng)機(jī)內(nèi)加入速度較高的氣流，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其對(duì)顆粒吹掃的能力，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。初期顆粒隨氣流發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)進(jìn)入葉輪通道。受風(fēng)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的影響，固體顆粒與葉片非工作面發(fā)生碰撞，且主要沉積于葉片前緣和后緣部位。

以清除葉片入口處積灰為例，計(jì)算清灰氣流應(yīng)具有的速度。葉輪入口的圓周速度為

式中：D1為葉片進(jìn)口直徑，m；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。對(duì)于Y4-73型離散引風(fēng)機(jī)，D1=1 m，n=1 450 r/min，由式（1）得u=75.8 m/s。

引風(fēng)機(jī)入口速度分布如圖6所示。圖中：w為相對(duì)速度；v為絕對(duì)速度。由圖6中的入口速度三角形可知，要使射流作用于積灰處，w和u之間的夾角α應(yīng)大于葉片入口安裝角，取葉片入口安裝角為45°。當(dāng)v和u之間的夾角大于90°時(shí)，w指向葉片的工作面，射流介質(zhì)不能對(duì)葉片非工作面上的積灰產(chǎn)生直接的作用力，除灰效果不理想；當(dāng)其夾角等于90°時(shí)，除灰效果最好。因此，最佳射流方向?yàn)閺较蛏淞鱗11]，此時(shí)，α= 45o，有

由式（2）得v=75.8 m/s，當(dāng)射流速度大于75.8 m/s時(shí)，清灰氣流才能作用于積灰處。考慮到負(fù)壓和阻力的影響，取噴嘴氣流速度為90 m/s，為了同時(shí)保證吹掃效果和防止振動(dòng)，在對(duì)稱(chēng)位置加裝噴嘴。加裝噴嘴后，顆粒分布如圖7所示。

由圖7可看出：由于高速吹掃氣流的加入，提高了顆粒速度并減少了由于葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響；在葉片前緣部分，使顆粒的速度方向偏向葉輪通道，減少與前緣的碰撞；在后緣部位，由于顆粒在進(jìn)入蝸殼之前仍有較高的速度，從而減少與葉尾部分的碰撞。因此，加入吹掃氣流可減少顆粒與葉片的摩擦，降低沉積概率[10-12]。

4 結(jié)論

（1）引風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)的氣體流動(dòng)為處于紊流狀態(tài)的三元流動(dòng)，其流動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，而顆粒沉積是由風(fēng)機(jī)葉片非工作面在氣體分離、漩渦流動(dòng)、附面層流動(dòng)、葉片表面粗糙度、粉塵摩擦等因素的共同作用產(chǎn)生的。

（2）采用氣流吹掃，氣流可以直接作用到葉片上，使灰粒隨氣流流出。吹灰氣流可從空氣壓縮系統(tǒng)直接引進(jìn)，易于實(shí)現(xiàn)。

（3）通過(guò)調(diào)整噴嘴，可以得到更好的吹掃效果。

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