呂玉坤，劉海峰，張 健

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

能源消耗大、噪聲污染嚴重的風機是一種被廣泛應用于國民經濟各個部門的通用設備。通常使用的風機主要有軸流式風機、離心式風機和混流式風機。從行業(yè)角度來講，離心式風機的使用量最大，約是軸流式風機的兩倍多。在火電廠中風機是僅次于泵的耗電大戶，其耗電量約占發(fā)電機組發(fā)電量的1.5%～3%，占廠用電量的25%～30%。而目前離心式風機在我國300 MW以下機組中占有較大比例［1～3］，因此研究和改造離心式風機，提高其效率，對火電廠的節(jié)能增效具有重要意義［1］。本文對風機實驗室 G4－73№8D型離心式風機加裝短葉片，并進行風機性能實驗和噪聲實驗。

1 加裝短葉片

短葉片采用點焊的方式進行焊接 (即只焊接短葉片的四個角)，在離心風機葉輪上加裝短葉片如圖1所示。

圖1 加裝短葉片后葉輪結構圖Fig.1 Impeller with short－blade

2 風機實驗臺布置

本實驗采用進出氣實驗裝置，在風機實驗室進行。實驗臺及實驗設備布置如圖2所示。實驗裝置主要由進氣管道、實驗風機、軸向導流器、測試管路、節(jié)流錐、連接管和測量裝置等組成。

圖2 實驗臺結構示意圖Fig.2 Bench structure

2.1 流量測量

流量通過風機進氣管道的進口集流器測量:

式中:εn為集流器膨脹系數(shù)，εn=1;φn為集流器流量系數(shù)，φn=0.99;An為集流器喉部截面積，m2;ρ為測定條件下的空氣密度，kg/m3;pestj為集流器喉部靜壓，pestj=－9.806 65kl(Pa)。其中:k為微壓計系數(shù)，實驗中 k=0.6;l為微壓計讀數(shù)，mm。

2.2 全壓測量

風機進口靜壓測點到風機進口之間距離l1的管道阻力損失，這部分損失以pw1表示:

式中:l1為測點到風機入口的距離，m;D1為風筒直徑，m;pd1為進口靜壓測點的動壓，pd1=

由于風機出口到出口靜壓測點之間也存在流動損失，使測得的靜壓比風機出口實際靜壓偏低。這部分損失用pw2表示:

式中:l2為風機出口到測點的距離，m;D2為風筒直徑，m;pd2為出口靜壓測點的動壓，pd2=

風機進、出氣管道的靜壓和動壓分別用U型管、微壓計和皮托管測出。

2.3 有功功率計算

風機有效功率可直接由全壓和流量按pe=pqV/1 000計算求得。若考慮氣體在風機內流動的壓縮性并忽略與外界的熱交換，則葉輪對單位體積氣體所作功為

式中:k為空氣絕熱指數(shù)，k=1.4。

2.4 軸功率、效率計算

軸功率Psh:風機軸功率用CYB－803S型扭矩傳感器直接測量得到。

風機效率:

3 風機性能實驗結果分析

3.1 全壓實驗結果分析

對加裝短葉片前后的離心式風機進行風機性能實驗，得到加裝短葉片前后風機的全壓無因次性能曲線如圖3所示。

由圖3可看出，當相對流量小于40%時，加裝短葉片后的風機全壓低于原風機全壓，但最多不超過0.9%;當相對流量大于40%時，加裝短葉片后的風機全壓大于原有風機全壓，而且隨著相對流量的增大，比原風機全壓高的越多;當相對流量在100%左右時，全壓大約提高了6.5%;相對流量在120%時，全壓大約可以提高8.5%。從風機工作的流量范圍 (相對流量為48% ～130%)看，風機全壓平均上升了約5.9%。

3.2 效率實驗結果分析

加裝短葉片前后風機無因次效率曲線如圖4所示。

圖3 風機全壓無因次性能曲線Fig.3 Full－pressure dimensionless performance curve of fan

圖4 風機效率無因次曲線Fig.4 Efficiency dimensionless performance curve of fan

對比風機改裝前后，當相對流量小于27%時，加裝短葉片風機的效率高于原風機效率，但是效率提高較小，最高不超過0.01%;相對流量在27%～42%之間時，原風機效率高于加裝短葉片后的風機效率，但最高不超過0.2%，因這個區(qū)域處于風機允許運行的范圍 (相對流量為48%～130%)之外，所以效率的改變對風機影響較小;相對流量在42% ～83%之間時，加裝短葉片風機的效率與原風機效率幾乎相等;相對流量在83%～111%時，加裝短葉片風機的效率低于原風機效率，平均低約0.2%。原風機的最高效率點與加裝短葉片后風機的最高效率點同處于這個區(qū)域，且兩者最高效率大約只相差0.1%。當相對流量大于111%時，加裝短葉片風機的效率高于原風機效率，平均增大約0.9%。由于電廠風機一般在相對流量為50%～100%下運行，而此時風機的效率改變很小，甚至可以忽略。所以在效率方面，改造前后的風機區(qū)別較小。從整體看，加裝小葉片后風機的高效區(qū)得到拓寬，風機性能得到改善［4～6］。

3.3 噪聲實驗結果分析

測量噪聲使用ND2型精密聲級計和倍頻程濾波器，該聲級計適用于各類瞬時噪聲的精密測量及噪聲頻譜分析。風機噪聲測量遵循GB2888－1982《風機和羅茨風機噪聲測量方法》，選用近場測聲法進行。按照測量標準對不同工況下的風機近聲場噪聲聲級與頻譜進行了測量，測點布置如圖5所示。

圖5 風機噪聲測點布置Fig.5 Fan noise measuring points

節(jié)流調節(jié)是最簡便的風機流量調節(jié)方法，通過調整進、出口處的閘門或檔板開度達到改變風機流量的目的［7～8］。本實驗采用出口節(jié)流錐來調節(jié)風機流量。在變工況下，對加裝短葉片前后的風機進行了A聲級噪聲及頻譜噪聲實驗。經實驗得到加裝短葉片前后風機A聲級噪聲與風機流量間的關系曲線如圖6所示。

圖6 聲壓與流量無因次曲線Fig.6 Sound pressure and flow dimensionless curve

從圖中可以看出，風機噪聲隨流量的增加先降低后升高，風機運行在相對流量為66%工況附近時噪聲較低。從風機的結構看，其原因在于當風機在這個流量下運行時，葉輪與蝸殼有較好的適配關系，而運行在當相對流量小于55%時，風機的運行狀況惡化，甚至產生嚴重的破壞性振動，因而噪聲水平也較高。

與原有風機相比，加裝短葉片后的風機整體噪聲均有所上升。其中，當相對流量小于28%時，加裝短葉片的風機噪聲小于原葉輪的噪聲;當相對流量大于28%小于81%時，原葉輪的降噪效果明顯優(yōu)于加裝短葉片的葉輪，加裝短葉片后風機噪聲大約平均上升了1.1 dB;當相對流量大于81%時，加裝短葉片風機與原風機噪聲相差較小，平均上升了不足0.5 dB?？紤]到短葉片為直葉片，沒有光滑過度的前緣和尾緣，所以直接沖擊氣流可產生很大噪聲;無完全焊接短葉片的漏風和泄漏間隙的增大都增加了噪聲的來源。如果去掉這部分噪聲，加裝短葉片后的噪聲將會有較大幅度的下降。

圖7和圖8分別給出了相對流量在91%和相對流量為105%時的噪聲頻譜圖。

圖7 相對流量為91%時風機倍程聲壓級曲線Fig.7 Sound pressure curve when relatively flow is 91%

從圖中可以看出，在1 600 Hz以下時噪聲隨頻率的增加變化不大，當頻率大于1 600 Hz時噪聲明顯降低。原葉輪在250 Hz～300 Hz左右出現(xiàn)噪聲峰值，該峰值是旋轉噪聲和旋渦噪聲相互混雜的結果。其中，旋轉噪聲的頻率為

式中:n為風機葉片輪轉速，n=1 450 r/min;Z=12;i為諧波序號1，2，3，……。

i=1為基頻，從噪聲強度看，基頻最強;i=2，3，4，……為高次諧音，其總趨勢是逐漸減弱的。由式4可得該風機的旋轉噪聲基頻為fr=290 Hz，因此在290 Hz附近原風機噪聲以旋轉噪聲為主，總噪聲為旋轉噪聲、旋渦噪聲及振動噪聲的疊加。而加裝小葉片風機的旋轉噪聲基頻為fr=580 Hz，因此在580 Hz附近，其噪聲以旋轉噪聲為主［9～10］。

圖8 相對流量為105%時風機倍程聲壓級曲線Fig.8 Sound pressure curve when relatively flow is 105%

對加裝短葉片前后的風機噪聲進行頻譜對比，可知，在31.5～500 Hz的低頻段，加裝短葉片后的風機噪聲與原風機噪聲互有大小，總體小于原風機噪聲，聲壓級下降約1～5 dB，平均下降約1.5 dB;當頻率大于2 500 Hz時，原風機噪聲與改造后風機噪聲相差很小;當頻率處于500～2 500 Hz之間時，加裝短葉片后風機噪聲顯著增加，平均增大約2.5 dB。

考慮到葉片的增加導致射流—尾流結構數(shù)量增多，從而增加了旋渦噪聲;短葉片焊接不嚴密增加了約24個小型高速射流，這些射流沖擊葉輪中的主流，也增加了旋渦噪聲;短葉片的出口并不完全與葉輪出口相配合，導致周期性沖擊蝸殼內的旋渦，并與蝸殼內流動偶合，產生旋轉噪聲。因此，如果上述現(xiàn)象能夠克服，那么風機噪聲同樣可以得到較好的控制。

4 結論

在分析離心式風機葉輪中流體流動情況的基礎上，對電站中廣泛使用的G4－73型離心式風機進行了改造，加裝了短葉片，并做了在出口節(jié)流調節(jié)下的風機性能和噪聲實驗。結果表明，加裝短葉片后，當風機處于額定轉速 (1 450 r/min)且相對流量處于48%～130%內時，風機全壓平均提高約5.9%，風機效率平均下降了不到0.1%，風機噪聲增加約1 dB。當風機處于額定轉速且相對流量小于40%時，風機全壓下降約0.9%，噪聲平均增加約0.3 dB。

因實驗條件的限制，實驗中存在很多不利于風機效率和風機全壓提高的因素，因此，如果這些缺點能夠克服，那么風機性能將得到進一步提高。

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