茍慧智，王 信，張 磊

(1.中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司，北京 100034；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

2017-06-02

茍慧智(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電企業(yè)管理與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究工作 。

電站軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)及失速狀態(tài)下的葉輪應(yīng)力特性分析

茍慧智1，王 信2，張 磊2

(1.中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司，北京 100034；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，采用數(shù)值計(jì)算方法模擬了某電站軸流風(fēng)機(jī)相鄰兩動(dòng)葉+9°異常偏轉(zhuǎn)及失速工況下葉輪內(nèi)部的非定常流場(chǎng)特征，并研究了動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)及失速工況下的葉輪應(yīng)力特性，研究結(jié)果表明，失速發(fā)生后，葉輪流道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)大約占據(jù)一半流道的完整失速團(tuán)；+9°異常偏轉(zhuǎn)葉片能夠減弱失速團(tuán)帶來(lái)的氣動(dòng)載荷擾動(dòng)，但最大等效應(yīng)力值增加幅度較大，降低了葉輪的安全系數(shù)；旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生后，正常葉輪和異常葉輪的最大等效應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，未達(dá)到屈服狀態(tài)。

軸流風(fēng)機(jī)；數(shù)值模擬；流固耦合；應(yīng)力特性

1 概述

軸流風(fēng)機(jī)是電站常用的軸流增壓式葉輪機(jī)械，是電廠的重要設(shè)備之一，其中動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)因其變工況調(diào)節(jié)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、容量大等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。電廠運(yùn)行工況的復(fù)雜性和多變性經(jīng)常導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)諸多問(wèn)題，其中風(fēng)機(jī)在大流量工況調(diào)整動(dòng)葉安裝角的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一個(gè)或多個(gè)安裝角的漂移，導(dǎo)致動(dòng)葉調(diào)整不同步，從而影響了軸流風(fēng)機(jī)的性能和效率[1-2]。運(yùn)行實(shí)踐表明，動(dòng)葉角度的異常偏轉(zhuǎn)會(huì)不同程度的影響風(fēng)機(jī)的失速特性，而風(fēng)機(jī)在失速狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋、磨損甚至斷裂[3-4]。因此對(duì)動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)進(jìn)行失速工況下的強(qiáng)度分析具有重要意義。

旋轉(zhuǎn)失速作為風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象，已成為當(dāng)前研究的重要課題。目前旋轉(zhuǎn)失速的研究主要分為模型研究、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值研究。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在旋轉(zhuǎn)失速的研究過(guò)程中主要用到2個(gè)模型，第1個(gè)是在1955年Emmons提出的，該模型指出失速是由一個(gè)或幾個(gè)葉片首先發(fā)生氣流分離產(chǎn)生的；第2個(gè)是Moore等人，在Emmons的基礎(chǔ)上建立了一套相對(duì)完善的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性模型，并成功預(yù)測(cè)了壓氣機(jī)的氣動(dòng)特性和失速周向傳播之間的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)研究方面，Bullock和Finger等人對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)的喘振現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，記錄了流道中的不穩(wěn)定流。Huppert和Benser等人重點(diǎn)研究了壓縮機(jī)部分失速和全周失速的區(qū)別，并預(yù)測(cè)了失速裕度。在數(shù)值模擬方面，Saxer-Felici等人通過(guò)CFD模擬了失速狀態(tài)下的流動(dòng)特性和失速團(tuán)的大小及速度。鞠鵬飛用數(shù)值模擬的方法研究了跨聲速壓氣機(jī)近失速的流動(dòng)特征[5]。石嵩通過(guò)全通道數(shù)值模擬，研究了軸流壓氣機(jī)失速起始的動(dòng)態(tài)過(guò)程[6]。針對(duì)動(dòng)葉角度異常風(fēng)機(jī)，李春曦等人研究了變工況下動(dòng)葉安裝角異常對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)及噪聲影響[7]。葉學(xué)民等人研究了動(dòng)葉安裝角反向異常對(duì)風(fēng)機(jī)的脈動(dòng)特性[8]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)和有限元分析的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，流固耦合也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。流固耦合是研究流體與固體之間的相互作用，包括固體在流場(chǎng)下的各種行為以及固體應(yīng)變對(duì)流場(chǎng)的影響。Madenci和Curtiss等人對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)彈性進(jìn)行了研究，并結(jié)合氣固耦合分析了振動(dòng)特性。Dehaeze. F通過(guò)CFD和結(jié)構(gòu)耦合，模擬了直升機(jī)槳葉在懸停狀態(tài)下的氣動(dòng)特性。毛軍應(yīng)用弱耦合方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行流固耦合特性分析，在流固耦合中葉片彈性變形是不可以忽略的[9]。

旋轉(zhuǎn)失速下的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)不穩(wěn)定性發(fā)生改變，其流固耦合特性也隨之改變。目前針對(duì)風(fēng)機(jī)流固耦合的研究主要集中在設(shè)計(jì)工況，針對(duì)風(fēng)機(jī)異常角度偏轉(zhuǎn)的研究主要集中在性能和噪聲等方面，失速工況下的葉輪靜力分析研究較少，且還未見(jiàn)動(dòng)葉角度異常風(fēng)機(jī)失速狀態(tài)下的應(yīng)力分析。因此以下以某電廠兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，基于節(jié)流閥模型，采用Fluent軟件對(duì)正常風(fēng)機(jī)與動(dòng)葉異常風(fēng)機(jī)進(jìn)行失速模擬，并將流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果在Workbench平臺(tái)中進(jìn)行單項(xiàng)耦合分析，研究了不同異常偏轉(zhuǎn)角度風(fēng)機(jī)在失速狀態(tài)下的葉輪應(yīng)力特性。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

如圖1所示為基于某電廠一次引風(fēng)機(jī)建立的三維模型，其主要結(jié)構(gòu)包括入口集流器、一級(jí)動(dòng)葉輪、一級(jí)靜葉輪、二級(jí)動(dòng)葉輪、二級(jí)靜葉輪和出口擴(kuò)散筒六部分，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。以下分別對(duì)第二級(jí)動(dòng)葉輪中兩相鄰動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)及正常風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度設(shè)定為+9°，異常偏轉(zhuǎn)葉片位置如圖2所示，以葉片逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)為正，即Δβy>0°，反之為負(fù)。設(shè)置入口邊界條件為壓力入口，0 MPa。出口邊界條件為壓力出口，通過(guò)加載節(jié)流閥模型來(lái)控制出口靜壓值。葉片材料為ZL101，其主要力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖1 兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)幾何模型

表1 軸流風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

參數(shù)輪轂比轉(zhuǎn)速/(r·min-1)動(dòng)葉片數(shù)目導(dǎo)葉數(shù)目數(shù)值0.66814902×242×23

圖2 動(dòng)葉異常偏轉(zhuǎn)角示意

表2 葉輪材料力學(xué)性能參數(shù)

名稱密度/(kg·m-3)彈性模量泊松比屈服強(qiáng)度/MPaZL10126606.9×10100.31180

采用Gambit軟件對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)入口段、兩級(jí)動(dòng)、靜葉和出口段分段劃分，通過(guò)設(shè)置Interface進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?？紤]到葉輪內(nèi)部三維流場(chǎng)的復(fù)雜性，因此在動(dòng)葉表面附近加邊界層網(wǎng)格，采用尺寸函數(shù)對(duì)葉片前后緣和葉頂間隙等部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量為694萬(wàn)。采用Ansys自帶網(wǎng)格對(duì)固體葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元Solid187，單元大小設(shè)置為15 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為49萬(wàn)，單元數(shù)約為31萬(wàn)。

2.2 數(shù)值計(jì)算

數(shù)值模擬控制方程包括連續(xù)性方程、N-S方程和Realizable k-ε方程。為了滿足計(jì)算的精度要求，同時(shí)考慮到節(jié)約計(jì)算資源，以下選取雙方程湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。采用有限體積法離散，其中對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散上采用二階迎風(fēng)差分格式。湍流模型采用Realizable k-ε模型，可以較好的反應(yīng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、流動(dòng)分析及二次流等現(xiàn)象。

風(fēng)機(jī)集流器入口設(shè)定為壓力入口，0 MPa，擴(kuò)壓器出口設(shè)定為壓力出口。穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)給定出口壓力，非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)出口加載節(jié)流閥模型，采用編譯的UDF程序進(jìn)行迭代，迭代步長(zhǎng)為0.000 839 s。穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，動(dòng)葉輪區(qū)域采用MRF模型，非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)采用滑移網(wǎng)格模型，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 490 r/min。模擬過(guò)程中首先逐步提高出口壓力，得到穩(wěn)態(tài)條件下最大背壓的收斂解，然后基于穩(wěn)態(tài)結(jié)果進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，逐漸減小節(jié)流閥開(kāi)度，直至風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3為僅加載氣動(dòng)力載荷時(shí)失速工況下葉輪的等效應(yīng)力分布云圖。正常葉輪的應(yīng)力分布集中明顯，主要集中在壓力面前緣和吸力面50%葉高附近，最大應(yīng)力值為8.51 MPa，這是由于失速工況下形成了一個(gè)穩(wěn)定的失速團(tuán)，加劇了流道內(nèi)流體的擾動(dòng)。遠(yuǎn)離失速團(tuán)流道的其他葉片應(yīng)力集中消失，葉頂?shù)蛻?yīng)力區(qū)擴(kuò)大到70%葉高附近。+9°異常葉輪在失速團(tuán)位置應(yīng)力分布與正常葉輪大致相似，最大應(yīng)力值為7.93 MPa，異常葉片壓力面前緣和吸力面中間部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，這說(shuō)明相鄰+9°異常葉片雖然減小了失速團(tuán)對(duì)葉輪的影響，降低了最大應(yīng)力值，但加劇了異常葉片本身的應(yīng)力集中。

(a) 正常葉輪吸力面 (b) 正常葉輪壓力面

(c) +9°葉輪吸力面 (d) +9°葉輪壓力面 圖3 僅加載氣動(dòng)力時(shí)的應(yīng)力分布

圖4為失速工況下同時(shí)加載氣動(dòng)力和離心力載荷時(shí)葉輪的等效應(yīng)力分布。正常葉輪的最大應(yīng)力值增加到34.50 MPa，但葉輪周向不均勻性降低，這是因?yàn)殡x心力載荷方向是徑向發(fā)展，而氣動(dòng)力載荷是垂直于葉片表面，兩者相互垂直導(dǎo)致葉片應(yīng)力分布發(fā)生改變。失速團(tuán)所在葉片存在較大范圍高應(yīng)力區(qū)，遠(yuǎn)離失速團(tuán)的葉片應(yīng)力集中減弱。+9°葉輪在失速后隨著失速團(tuán)的發(fā)展最大應(yīng)力值不斷提到，最終穩(wěn)定到55.93 MPa，較正常葉輪增加了62.1%，葉頂?shù)蛻?yīng)力區(qū)擴(kuò)大，在吸力面前緣和壓力面的葉根處存在小范圍的高應(yīng)力區(qū)。

(a) 正常葉輪吸力面 (b) 正常葉輪壓力面

(c) +9°葉輪吸力面 (d) +9°葉輪壓力面 圖4 加載氣動(dòng)力和離心力時(shí)的應(yīng)力分布

以上研究的葉輪材料為ZL101，采用第四強(qiáng)度理論對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。根據(jù)表材料的力學(xué)性能，材料的屈服極限為180 MPa，一般彈性結(jié)構(gòu)在靜力分析時(shí)安全系數(shù)控制在1.5～2，取安全系數(shù)為2。根據(jù)許用應(yīng)力的計(jì)算公式得到材料的許用應(yīng)力為90 MPa。對(duì)比正常葉輪和+9°異常葉輪的靜力分析結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)其最大等效應(yīng)力在失速工況下均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度符合要求。

4 結(jié)論

a. 對(duì)葉輪進(jìn)行流固耦合分析得出，失速工況下，僅加載氣動(dòng)力載荷時(shí)，+9°葉輪的最大應(yīng)力值與正常葉輪相比均有所降低，說(shuō)明+9°異常偏轉(zhuǎn)葉片能夠減弱失速團(tuán)帶來(lái)的氣動(dòng)載荷擾動(dòng)，但會(huì)在異常葉片位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。

b. 失速工況下，同時(shí)加載氣動(dòng)力和離心力載荷時(shí)，與僅加載氣動(dòng)力載荷相比，最大等效應(yīng)力值顯著提高，說(shuō)明葉輪上的應(yīng)力分布主要受離心力載荷影響。+9°葉輪最大等效應(yīng)力值的增加幅度遠(yuǎn)大于正常葉輪，說(shuō)明+9°異常葉片降低了葉輪的安全系數(shù)。

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Static Characteristics Analysis of Rotor with Abnormal Blade Angle in Axial Fan Under Stall Conditions

Gou Huizhi1,Wang Xin2,Zhang Lei2

(1.China Guodian Corporation, Beijing 100034,China;2. North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Based on N-S equation and Realizable k-turbulence model,using the numerical method to study the unsteady flow characteristics in the impeller of an axial fan under two +9 degrees blade deflection in stall condition.And give a research on impeller stress characteristics under moving blades abnormal deflection and stall conditions.The results show that there is a complete stall cell which taken up about half of the impeller channel after stall.The +9 degrees abnormal deflection blade can attenuate aerodynamic load disturbance caused by stall cluster,while reducing the safety factor of the impeller by increasing the maximum equivalent stress.The maximum equivalent stress of normal impeller and abnormal impeller is less than yield strength after rotating stall.

axial fan;numerical simulation;fluid solid coupling;dress characteristic

TM621

B

1001-9898(2017)05-0015-03

本文責(zé)任編輯：楊秀敏