封遙董云山司風琪白德龍解冠宇

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室；2.內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責任公司）

大型火電機組軸流風機運行特性及內(nèi)流特征的數(shù)值模擬?

封遙1董云山1司風琪1白德龍2解冠宇2

（1.東南大學能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室；2.內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責任公司）

應用流體計算軟件Fluent對某600MW大型火電機組配套的SAF兩級動葉可調(diào)軸流引風機的內(nèi)流特征及運行特性進行模擬分析。研究表明：正常狀態(tài)下風機內(nèi)靜壓沿軸向先增大后減小，動壓僅在擴壓器區(qū)及集流器區(qū)出現(xiàn)較大變化，動葉輪的升力作用主要轉(zhuǎn)化為流體靜壓，全壓的增加則主要來自靜壓的增大；風機動葉出口截面總壓呈現(xiàn)高壓區(qū)與低壓區(qū)交替出現(xiàn)的周向?qū)ΨQ性分布，但第二級動葉出口總壓分布的對稱性要比第一級的差；葉片壓力面與吸力面間的靜壓差沿葉高方向逐漸增大，表明葉片中上部的做功能力較強；相同流量下隨著動葉安裝角的減小，葉片壓力面與吸力面速度變化梯度減小，做功能力減弱，風機的全壓升逐漸減小。

大型火電機組；兩級軸流引風機；數(shù)值模擬；運行特性；內(nèi)流特征

0引言

風機是電廠中的重要輔機設(shè)備之一，廣泛應用于制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)以及儀器輔用等各個方面，同時也是電廠中的大型耗電設(shè)備，其耗電量占廠用電總量的20%～30%[1]，因此風機的性能可靠性對電廠的安全經(jīng)濟運行有著重要的影響。其中，送、引風機被喻為電廠的“呼吸系統(tǒng)”，在電廠輔機中占據(jù)著尤為重要的地位。隨著火電機組單機容量的不斷提高，為了滿足大型火電機組高效節(jié)能的需求，兩級動葉可調(diào)軸流式風機應運而生，其調(diào)節(jié)范圍廣、變工況性能好、能源利用率高等眾多優(yōu)點越來越受到電廠用戶的認可并得到廣泛應用。但是，在實際運行過程中，對動葉可調(diào)軸流風機，尤其是兩級動葉可調(diào)軸流風機的設(shè)計安裝以及運行過程中的變工況調(diào)節(jié)有著極高的要求，設(shè)計不合理或安裝不規(guī)范極易造成“大馬拉小車”的低效運行現(xiàn)象[2]，造成能源資源的浪費。同時風機變工況調(diào)節(jié)的不匹配又極易使風機發(fā)生失速喘振的現(xiàn)象，甚至造成風機故障停車，對機組整體的安全高效運行產(chǎn)生重要影響。因此，對兩級動葉可調(diào)軸流風機進行系統(tǒng)全面的研究，對大型火電機組軸流風機的設(shè)計及運行維護具有重要的現(xiàn)實指導意義。

1軸流風機的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外針對軸流風機的研究主要集中在低壓軸流風機[3-7]、對旋軸流風機[6-10]以及單級軸流風機[12-16]等各類中小型風機的設(shè)計研究及故障分析。李楊等[5-6]利用Fluent模擬計算了具有三種不同葉片彎曲方向的低壓軸流風機的內(nèi)部流動特性，揭示了葉頂?shù)綑C殼壁面之間泄漏流的發(fā)展過程及損失變化；Estevadeordal J、Cattanei A等[11，13]分別應用DPIV技術(shù)及數(shù)值模擬對軸流風機內(nèi)部流動情況進行系統(tǒng)研究，獲得了風機內(nèi)部的流動特征及流動影響因素，同時探討了不同葉片間距對風機性能的影響；對于大型電廠軸流風機的研究，葉學民、李春曦等[15-18]以O(shè)B-84單級軸流風機為研究對象，采用Fluent數(shù)值模擬的方法對風機進行全三維定常數(shù)值模擬，對單級軸流風機正常運行及葉片異常偏離時的內(nèi)流特征及運行特性進行了全面的分析。

但是針對大型火電機組配套的兩級動葉可調(diào)軸流風機的研究起步相對比較晚，對風機正常工況及變工況運行時風機內(nèi)部的流動特征及運行特性的描述還不是很完善。因此，本文以某600MW機組配套的SAF系列兩級動葉可調(diào)軸流式引風機為研究對象，采用Fluent軟件對其進行全三維定常數(shù)值模擬，對風機在設(shè)計工況及變工況運行時的內(nèi)流特征及運行特性進行細致分析，并研究不同動葉安裝角對風機性能的影響。

2物理模型及數(shù)值求解方法

2.1物理模型

本文以SAF-36-25-2兩級動葉可調(diào)軸流引風機為研究對象，其基本結(jié)構(gòu)如圖1，從風機進口到出口主要包括集流器、兩級動葉、兩級導葉以及擴壓器六個組成部分，第一、二級動葉輪由20片等間距均勻布置的相同扭曲機翼型葉片組成，第一、二級導葉的葉片數(shù)為23，第一級導葉采用長短相間布置的等厚弧板型葉片，第二級導葉采用相同均勻相間布置的等厚弧板型葉片。其他具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

圖1SAF-36-25-2動葉可調(diào)軸流引風機結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure of axial induced draft fan

表1SAF-36-25-2動葉可調(diào)軸流引風機結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計工況基本參數(shù)Tab.1Structural parameter of axial induced draft fan

2.2數(shù)值計算方法

由于風機的整體結(jié)構(gòu)涉及區(qū)域的動靜旋轉(zhuǎn)，因此采用分區(qū)域畫網(wǎng)格的方式將模型分為集流器區(qū)、前/后級動葉區(qū)、前/后級導葉區(qū)和擴壓器區(qū)六個計算區(qū)域，采用ICEM與Turbo-Grid軟件結(jié)合的方式對各區(qū)域進行六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的劃分，對葉輪中流動梯度較大或曲率變化較大的局部區(qū)域進行網(wǎng)格加密（如圖2）。模型將整個流道內(nèi)流場視為不可壓穩(wěn)態(tài)粘性湍流流動，采用三維、定常、不可壓縮的雷諾時均N-S方程組進行封閉，應用SIMPLEC算法求解方程組。由于葉輪區(qū)存在旋轉(zhuǎn)的動葉區(qū)和靜止的導葉區(qū)，將整個計算域劃分為定子和轉(zhuǎn)子兩個區(qū)域，采用多參考坐標系模型（Multiple Reference Frame，MRF）對旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域進行耦合，不同子域的交界面上采用Interface進行信息的傳遞。將集流器進口作為風機進口，擴壓器出口作為風機出口，分別采用速度進口（Velocity inlet）、自由出流（Outflow）的邊界條件，湍流模型采用旋轉(zhuǎn)機械普遍適用的Realizable k-ε二方程模型，壁面采用標準壁面函數(shù)，近壁面采用無滑移邊界條件。當計算殘差達到1e-4，且流場中監(jiān)測點對應參數(shù)變化小于3%時，認定計算收斂。

圖2 葉片局部網(wǎng)格加密圖Fig.2Refinement of the grid in the blades

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為保證數(shù)值計算的準確性，本文對所選模型進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，采用不同的網(wǎng)格尺寸建立具有不同網(wǎng)格數(shù)量的風機模型，由此分別選取了530萬、570萬、630萬、680萬網(wǎng)格數(shù)量的模型進行數(shù)值計算，以全壓作為衡量參數(shù)，計算結(jié)果如表2。由表2可知，在設(shè)計工況下（即BMCR工況）計算獲得的全壓隨著網(wǎng)格數(shù)量的增大不斷接近設(shè)計值，當網(wǎng)格數(shù)量超過630萬時計算獲得的全壓值隨網(wǎng)格數(shù)量的增加變化很小，且不斷與設(shè)計值相接近，說明此時模型的計算精度滿足計算要求且受網(wǎng)格數(shù)量的影響小，同時考慮到時間成本，本文采用總計算網(wǎng)格數(shù)為630萬的風機模型，其中動葉區(qū)和導葉區(qū)網(wǎng)格數(shù)分別約為290萬和220萬，對集流器和擴壓器等區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格較為稀疏，以減少計算量。

表2 不同網(wǎng)格數(shù)量模型的計算結(jié)果對比Tab.2Comparison of different model calculations

3 計算結(jié)果對比與分析

3.1 外特性曲線分析

圖3為通過數(shù)值模擬和實驗得到的風機外特性曲線對比圖，圖中展示了風機在動葉開度0°，-5°，-10°高效區(qū)附近的全壓及效率隨流量的變化曲線，由于對現(xiàn)場風機結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量與理論設(shè)計參數(shù)無法保證完全一致，同時模擬過程對某些變量進行了簡化假設(shè)，如模型計算過程中將流體視為不可壓縮流體，且不考慮流體的溫度，計算模型中沒有考慮能量方程，那么模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果（即設(shè)計曲線）存在一定誤差，但是由圖3可以看出數(shù)值模擬計算得到的風機實際外特性曲線與實驗獲得的風機設(shè)計外特性具有相同的變化趨勢，有著較好的擬合度，此外計算獲得的全壓及效率值與設(shè)計值的平均相對誤差分別為3.41%，5.96%，其中效率值由于模型的簡化造成誤差相對較大，但是整體計算誤差依然在合理范圍內(nèi)，模擬計算結(jié)果能夠很好的反映風機的基本特性。

圖3 軸流風機外特性曲線圖Fig.3Characteristic curves of axial flow fan

3.2風機內(nèi)流特征

為了分析兩級動葉可調(diào)軸流引風機的內(nèi)部流動特性，采用上述模型對風機在設(shè)計工況下的實際運行情況進行模擬計算（煙氣流量為505m3/s，動葉開度為0°）。

從集流器進口到擴壓器出口依次等間距截取23個軸向截面，通過每個截面的平均靜壓、平均動壓以及風機全壓可以獲得風機內(nèi)部各壓力沿軸向的變化規(guī)律，如圖4所示。圖中橫坐標x表示距離風機進口的軸向距離，縱坐標表示壓力值，圖中對葉輪區(qū)壓力變化情況進行放大展示。由圖可以看出，流體的靜壓沿軸向流動方向先減小后增大，而流體動壓的變化則主要集中在集流器區(qū)和擴壓器區(qū)，這是因為在集流器區(qū)及擴壓器區(qū)風機內(nèi)部通流面積的改變引起流體速度發(fā)生較大變化，靜壓和動壓在一定程度上進行相互轉(zhuǎn)化。而當流體進入葉輪區(qū)，靜壓及全壓幾乎呈線性增加，而動壓僅有小幅的變化，此時風機內(nèi)部流體受到旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的升力作用，靜壓能得到大幅增加，這表明在葉輪通道內(nèi)流體的全壓主要來自靜壓的增加；而在當流體進入導葉區(qū)，由于導葉的整流作用，部分動壓能轉(zhuǎn)化為靜壓能從而使動壓出現(xiàn)小幅降低。此外，全壓反映了風機的主要做功能力，風機對流體的做功主要是通過葉輪的機械旋轉(zhuǎn)將機械能轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能，因此全壓僅在動葉區(qū)出現(xiàn)大幅的增加，其余區(qū)域主要進行靜壓和動壓的相互轉(zhuǎn)化從而使全壓變化很小。

圖4設(shè)計工況下風機各壓力沿軸向變化規(guī)律Fig.4The variation law of different pressures along axial direction

圖5 給出了設(shè)計工況運行時風機第一、二級動葉出口截面的總壓分布情況。由圖可知，動葉出口截面總壓的周向分布并不均勻，呈現(xiàn)高壓區(qū)和低壓區(qū)交替分布的規(guī)律，這是由于煙氣在風機內(nèi)部沿軸向流動過程中既受到葉輪圓周速度的牽引作用隨葉輪旋轉(zhuǎn)，同時也會受到翼型葉片旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的升力作用，從而造成煙氣在流道內(nèi)呈現(xiàn)螺旋前進的復雜流動方式，同時煙氣在翼型葉片尾部由于繞流脫流形成的尾流渦以及在葉頂間隙形成的泄漏流都會產(chǎn)生較大的流動損失，使動葉出口截面呈現(xiàn)局部低壓區(qū)。另外，由于葉片周向均勻相間布置，各葉片間流道內(nèi)的流動情況相似，因此動葉出口截面的總壓呈現(xiàn)周向?qū)ΨQ分布的規(guī)律。但是對比圖5(a)和(b)易于發(fā)現(xiàn)第一級動葉出口截面總壓分布的對稱性要好于第二級動葉出口截面的總壓分布，且第一級動葉出口截面的壓力梯度要小于第二級動葉出口截面的壓力梯度，第二級高壓區(qū)與低壓區(qū)的相間分布的特征更加明顯，這是因為進入第二級葉輪的流體受到第一級動葉及導葉的作用，第二級進口截面流體的均勻性遭到破壞，另外第一級導葉采用長短導葉相間布置的方式，長導葉對應的出口總壓要大于短導葉出口，第一級導葉出口總壓的不均會加劇第二級動葉出口總壓的不均性。

圖5 軸流風機葉輪出口截面總壓分布情況Fig.5Distribution of total pressure in axial fan outlet section

由于葉輪中間截面的總壓沿周向具有良好的對稱性，因此截取1/4截面區(qū)域進行分析，如圖6給出了設(shè)計工況下前后兩級葉輪中間截面的總壓分布情況。由圖可知，葉輪流道內(nèi)流體總壓沿旋轉(zhuǎn)方向呈現(xiàn)明顯的條帶狀分布，從葉片的壓力面到旋轉(zhuǎn)方向下一個葉片的吸力面總壓逐漸減小；在葉片壓力面的中上部存在局部高壓區(qū)，而在吸力面的頂部存在局部低壓區(qū)，這是因為動葉片頂部存在葉頂間隙，葉片旋轉(zhuǎn)過程中葉頂處流體受間隙兩側(cè)壓差作用從壓力面排擠到吸力面形成葉頂泄漏流，泄漏流與周圍流體相互摻混破壞主流的流動，形成較大的流動損失，從而使局部壓力降低。此外，第一級葉輪壓力面中上部的高壓區(qū)范圍要小于第二級葉輪壓力面的高壓區(qū)范圍，但第二級葉輪低壓區(qū)的壓力梯度要大于第一級葉輪。

圖6 軸流風機葉輪中間截面總壓分布情況圖Fig.6Distribution of total pressure in axial fan middle section

圖7 給出了第一、二級葉片不同葉高截面壓力面及吸力面的靜壓分布，其中橫坐標表示葉片弦長相對距離（葉高b設(shè)為1），縱坐標表示葉片表面靜壓。從圖中可以看出葉片前后兩級不同葉高截面具有相似的靜壓分布規(guī)律，壓力面靜壓沿流動方向的整體分布情況呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而吸力面與之相反，靜壓沿流動方向先減小后增大。同時葉片沿葉高方向，葉片壓力面與吸力面靜壓包圍的面積逐漸增大，葉片壓力面與吸力面之間的靜壓差表示風機的做功能力，由此說明風機的做功能力隨葉高的增加而增大。此外，葉片前緣由于受氣流的沖擊作用，形成局部高壓，而在葉片尾緣由于尾流渦的影響，使葉片靜壓逐漸減小，葉片吸力面前緣到0.4弦長范圍內(nèi)由于流體不能很好的附著在葉片表面形成流動分離，靜壓逐漸減小。

圖7 不同葉高截面靜壓分布圖Fig.7Distribution of static pressure of different blade height sections

圖8 不同安裝角下風機軸向全壓變化Fig.8Total pressure of different installation angles along the axial direction

3.3 動葉安裝角對風機性能的影響

動葉可調(diào)軸流風機通過改變動葉安裝角度以快速適應不同工況要求，圖8為具有不同安裝角開度的風機在設(shè)計流量下運行時風機內(nèi)部全壓沿軸向的變化情況，由圖可知，不同安裝角下風機全壓變化情況基本一致，在動葉區(qū)呈現(xiàn)線性大幅增加，其他區(qū)域全壓波動較小。模擬過程設(shè)置出口的參考壓力為0Pa，由圖可以看出隨著安裝角的減小，風機進口的全壓值不斷增加，則等效表示風機進出口的全壓升逐漸減小，結(jié)合圖3風機不同安裝角下的特性曲線可以得出結(jié)論，相同流量下風機全壓隨開度的減小而減小，效率變化則很小。因此當風機流量增大或減小時，風機可以通過改變安裝角度使風機性能始終保持較高水平，這也是動葉可調(diào)軸流風機主要優(yōu)勢之一，同時結(jié)合圖3可以看出兩級動葉可調(diào)軸流風機只需改變較小角度就可以適應不同的流量范圍，風量調(diào)節(jié)的范圍較大、調(diào)節(jié)的適應性較強。

圖9則給出了不同安裝角在設(shè)計流量下運行時風機第一級葉輪0.1葉高截面的軸向速度分布（葉片總高設(shè)為1）。由圖可知，在吸力面流動方向中后部，流體的軸向流速較高形成局部高速區(qū)，在葉片壓力面附近由于流體分離造成流速較低，同時在葉片尾部由于尾流渦的影響形成軸向條帶狀低速區(qū)。隨著動葉安裝角的減小，高速區(qū)的范圍逐漸增大，且不斷向葉片出口軸向延伸，葉片壓力面前緣與旋轉(zhuǎn)方向相鄰葉片吸力面的高速區(qū)混合，形成小的高軸向速度區(qū)，同時由于葉片進口沖角的增大，葉片進口處低速區(qū)的范圍增大，且速度梯度逐漸變大，而在葉片出口由于高速區(qū)范圍的延伸，與葉片尾流低速區(qū)形成較大的速度梯度。第一級葉輪出口流場的分布直接影響到第二級葉輪進口流體周向分布的均勻性，從而影響風機的進出口全壓升。因此，風機在相同流量下運行時，風機全壓隨著安裝角的減小而逐漸減小，性能隨之逐漸下降。

圖9 不同安裝角下第一級葉輪0.1葉高截面軸向速度圖Fig.9Distribution of axial-velocity of 0.1 blade height section of the first stage blade under different installation angles

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對大型火電機組配套的SAF系列兩級動葉可調(diào)軸流引風機的運行特性及內(nèi)流特征進行了模擬分析，主要結(jié)論有：

1）從風機進口到出口，流體靜壓沿軸向流動方向先減小后增大，在動葉區(qū)呈線性大幅增加；而動壓僅在集流器與擴壓器區(qū)出現(xiàn)較大變化，其他區(qū)域變化較??；風機全壓的增加主要來自靜壓的增大，而動葉對流體的升力作用主要轉(zhuǎn)化為流體的靜壓，動壓則主要受通流面積的影響發(fā)生動壓與靜壓的相互轉(zhuǎn)化。

2）動葉出口截面高壓區(qū)和低壓區(qū)沿周向交替分布，整體呈現(xiàn)對稱分布的規(guī)律。但是受第一級葉輪及長短導葉的影響，第二級動葉出口總壓分布的對稱性要比第一級動葉出口總壓分布的對稱性差，且高壓區(qū)與低壓區(qū)的壓力梯度要大于第一級動葉出口。動葉中間截面總壓在相同流道內(nèi)壓力面到吸力面呈現(xiàn)順壓力梯度的條帶狀分布，在壓力面的中上部形成局部高壓區(qū)而吸力面的頂部存在局部低壓區(qū)。

3）第一、二級葉片不同葉高截面具有相似的靜壓分布規(guī)律：壓力面靜壓沿軸向先增大后減小，吸力面靜壓分布與之相反；壓力面與吸力面的靜壓差沿葉高逐漸增大，即葉片上部的做功能力較大。

4）隨著動葉安裝角的減小，風機在相同流量下進出口的全壓升逐漸減小，第一級葉輪出口流速的周向均勻性越來越差，直接對第二級葉輪的入流條件產(chǎn)生重要影響，風機性能逐漸下降。

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Numerical Simulation of Operation and Internal Flow Characteristics of an Axial Fan in Large Thermal Power Units

Yao Feng1Yun-shan Dong1Feng-qi Si1De-long Bai2Guan-yu Xie2
（1.Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University；2.Inner Mongolia Daihai Electric Power Generation Co.,Ltd.）

In this paper,the CFD software FLUENT is applied to simulate the operating and internal flow characteristics of a two-stage adjustable axial fan of a 600MW thermal power unit.The results show that the static pressure of the fan first increases and then decreases in the axial direction while the dynamic pressure only changes significantly in the area of collector and diffuser.The lift force of the impellers is mainly converted into static pressure and the increase of the total pressure of the fan mainly stems from the increase of the static pressure.The total pressure of the fan outlet section shows an axial symmetric distribution with a high and low pressure area,while the symmetry of the outlet total pressure of the rotor blade of the second stage is worse than that of the first stage.The static pressure difference between the pressure and suction surface is increasing along the blade height direction which shows the middle-upper part of blade power capability is increasing.For the same flow rate,the gradient of the blade pressure surface and the suction surface velocity decreases with the decrease of the installation angle of blades,and the full pressure of the fan is gradually reduced.

large thermal power,two-stage axial flow fan,numerical simulation,operating characteristics,internal flow characteristics

TH443；TK05

1006-8155-(2017)03-0034-07

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0005

江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2015070-17）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（Supported by“the Fundamental Research Funds for the Central Universities”）

2017-02-28江蘇南京210096