封 遙， 董云山， 司風(fēng)琪， 白德龍， 解冠宇

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096；2. 內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

研究與分析

兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)前后級(jí)異常葉片干涉現(xiàn)象的研究

封 遙1， 董云山1， 司風(fēng)琪1， 白德龍2， 解冠宇2

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096；2. 內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

針對(duì)某電廠SAF 36-25-2兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流引風(fēng)機(jī)，借助Fluent研究了引風(fēng)機(jī)前后級(jí)動(dòng)葉片發(fā)生不同角度異常偏離時(shí)，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律及前后兩級(jí)異常葉片的相互干涉關(guān)系。研究結(jié)果表明：第二級(jí)異常葉片偏離角度Δβ2=+8°時(shí)風(fēng)機(jī)整體性能要優(yōu)于Δβ2=-8°時(shí)風(fēng)機(jī)性能；保持Δβ2不變，隨著第一級(jí)異常葉片偏離角度Δβ1從-12°增加到+12°，風(fēng)機(jī)整體性能呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且在Δβ1=-12°時(shí)風(fēng)機(jī)全壓和效率在全流量范圍內(nèi)惡化最為明顯，異常葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響最大，而Δβ1=+8°時(shí)異常葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響最??；第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能的干涉影響隨異常葉片偏離程度的增大而增強(qiáng)。

軸流引風(fēng)機(jī)； 動(dòng)葉； 安裝角； 性能特征

風(fēng)機(jī)作為電廠中重要的輔機(jī)設(shè)備之一，主要應(yīng)用于制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)及儀器輔用等方面，其可靠性對(duì)電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響。隨著火電機(jī)組單機(jī)容量的不斷提高，實(shí)際工程中越來越多地用到了動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，其具有調(diào)節(jié)范圍廣、變工況性能好、能源利用率高等眾多優(yōu)點(diǎn)。但是，動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，動(dòng)葉片常常會(huì)因?yàn)榧庸ぐ惭b不規(guī)范、滑塊磨損、葉柄積灰等問題造成風(fēng)機(jī)葉片卡澀，在動(dòng)葉調(diào)整過程中出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)葉片安裝角異常偏離，造成風(fēng)機(jī)性能下降、不穩(wěn)定工作區(qū)增大，稍有擾動(dòng)甚至?xí)l(fā)風(fēng)機(jī)的喘振和搶風(fēng)[1-4]。因此，國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞軸流風(fēng)機(jī)的葉片斷裂、風(fēng)機(jī)振動(dòng)、失速喘振及內(nèi)流特征、噪聲等方面開展了較多的研究[5-10]。

由于火電機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)體積龐大，難以采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行風(fēng)機(jī)的性能研究，因而越來越多的學(xué)者采用CFD數(shù)值模擬方法來研究風(fēng)機(jī)的性能特征及內(nèi)部流動(dòng)特征。針對(duì)單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，黃超[11]針對(duì)某火電廠脫硫增壓風(fēng)機(jī)，模擬研究了不同轉(zhuǎn)速及安裝角的風(fēng)機(jī)性能及流動(dòng)特性。李春曦等[12]應(yīng)用Fluent軟件模擬了OB-84型單級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特性，分析了單動(dòng)葉安裝角異常時(shí)的風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征、熵產(chǎn)特性及噪聲特性等。葉學(xué)民等[13-14]對(duì)異常葉片的偏離角度及周向分布情況進(jìn)行了研究，分析了相鄰和相間兩動(dòng)葉、相鄰三動(dòng)葉安裝角異常下的風(fēng)機(jī)內(nèi)流特征和運(yùn)行特性。對(duì)于兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的性能特征及動(dòng)葉異?，F(xiàn)象也逐漸引起了研究者們的重視，葉學(xué)民等[15]也對(duì)某600 MW機(jī)組配套的兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行了全三維定常數(shù)值模擬，研究了前后級(jí)同相單葉片發(fā)生相同角度異常偏離時(shí)的風(fēng)機(jī)性能變化。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)前后級(jí)動(dòng)葉片也會(huì)發(fā)生異常偏離，前后級(jí)異常葉片相互影響進(jìn)而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[16]，對(duì)于該異常現(xiàn)象的影響關(guān)系及影響機(jī)理還需要進(jìn)行更深入的研究。筆者采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行全三維數(shù)值模擬，通過改變前后級(jí)單個(gè)異常動(dòng)葉片的偏離角度，研究前后級(jí)單個(gè)異常動(dòng)葉的干涉問題，分析前后級(jí)異常葉片分別發(fā)生不同角度異常偏離時(shí)風(fēng)機(jī)相關(guān)性能參數(shù)及內(nèi)流特征的變化規(guī)律，為兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行及設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 物理模型及數(shù)值求解方法

1.1物理模型

以SAF36-25-2兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流引風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SAF36-25-2 軸流引風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

引風(fēng)機(jī)從進(jìn)口到出口依次為：集流器、第一級(jí)動(dòng)葉、第一級(jí)導(dǎo)葉、第二級(jí)動(dòng)葉、第二級(jí)導(dǎo)葉、擴(kuò)壓器。葉輪直徑為3 600 mm，輪轂比為0.698，第一級(jí)、第二級(jí)動(dòng)葉的動(dòng)葉片數(shù)均為20，采用相同的扭曲機(jī)翼型葉片，第一、二級(jí)導(dǎo)葉的葉片數(shù)為23，第一級(jí)導(dǎo)葉采用長短相間布置的等厚圓弧板型葉片，第二級(jí)導(dǎo)葉采用相同均勻布置的等厚圓弧板型葉片。風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為745 r/min，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針(從進(jìn)口方向看)，動(dòng)葉安裝角的調(diào)節(jié)范圍為-35°～ +15°，對(duì)應(yīng)開度從0%～100%調(diào)整。

1.2數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立軸流風(fēng)機(jī)的全通道計(jì)算模型，將模型劃分為集流區(qū)，前、后級(jí)動(dòng)葉區(qū)，前、后級(jí)導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)六個(gè)計(jì)算區(qū)域，采用ICEM與TurboGrid軟件結(jié)合的方式對(duì)各區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)葉輪中流動(dòng)梯度較大或曲率變化較大的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密(見圖2)。

圖2 葉片局部網(wǎng)格加密

模型將整個(gè)流道內(nèi)流場視為不可壓穩(wěn)態(tài)黏性湍流流動(dòng)，采用三維、定常、不可壓縮的雷諾時(shí)均N-S方程組進(jìn)行封閉，并采用SIMPLEC算法求解方程組。由于葉輪區(qū)存在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉區(qū)和靜止的導(dǎo)葉區(qū)，于是采用多參考坐標(biāo)系模型對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域進(jìn)行耦合，不同子域的交界面

上采用Interface進(jìn)行信息的傳遞。將集流器進(jìn)口作為風(fēng)機(jī)進(jìn)口，擴(kuò)壓器出口作為風(fēng)機(jī)出口，分別采用速度進(jìn)口、自由出流的邊界條件，湍流模型采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械普遍適用的Realizablek-ε二方程模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，近壁面采用無滑移邊界條件。當(dāng)計(jì)算殘差達(dá)到10-4，且流場中監(jiān)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)變化小于3%時(shí)，認(rèn)定計(jì)算收斂。

筆者為研究前后級(jí)異常動(dòng)葉的干涉現(xiàn)象，通過改變第一級(jí)異常葉片安裝角度，分析第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能及流場的影響?？紤]到第二級(jí)異常葉片正反向偏離對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的差異性，筆者將分別研究第二級(jí)異常動(dòng)葉正反偏離兩種情況下，第一級(jí)異常葉片對(duì)后級(jí)異常葉片的干涉問題，即Δβ2=±8°時(shí)，Δβ1=-12°～+12°對(duì)應(yīng)的前后級(jí)異常葉片的干涉問題，具體變量選取見表1，其中Δβi表示第i級(jí)異常葉片的偏離角度。

表1 異常動(dòng)葉片偏離角度值

圖3為異常葉片偏離示意圖，規(guī)定從葉頂向葉根看去，繞葉片旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針方向?yàn)榉聪蚱x(Δβ<0)，逆時(shí)針方向?yàn)檎蚱x(Δβ>0)。

圖3 異常葉片示意圖

1.3網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為保證數(shù)值計(jì)算的可靠性，筆者對(duì)所選模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性的驗(yàn)證，分別選取了5.3×106、5.7× 106、6.3×106、6.8×106網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選取風(fēng)機(jī)全壓作為衡量值，隨網(wǎng)格數(shù)增大的計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出：在設(shè)計(jì)工況下(對(duì)應(yīng)體積流量為505 m3/s，開度為0°)計(jì)算獲得的風(fēng)機(jī)全壓隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加呈現(xiàn)先增大后趨向平緩的趨勢，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過6.3×106時(shí)計(jì)算結(jié)果變化很?。痪W(wǎng)格數(shù)為6.3×106時(shí)模型計(jì)算出的全壓和效率與實(shí)際值的平均相對(duì)誤差分別為5.7%和6.9%，說明此時(shí)風(fēng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算精度滿足計(jì)算要求且受計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量的影響比較小。同時(shí)考慮時(shí)間成本，筆者采用總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為6.3×106的模型，其中動(dòng)葉區(qū)和導(dǎo)葉區(qū)的網(wǎng)格數(shù)分別約為2.9×106和2.2×106，對(duì)于集流器和擴(kuò)壓器等區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格較為稀疏，以減少計(jì)算量。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格數(shù)對(duì)引風(fēng)機(jī)全壓的影響

2 結(jié)果分析

2.1外特性曲線分析

圖5和圖6分別是第二級(jí)異常葉片偏離角度為+8°和-8°條件下，第一級(jí)異常葉片發(fā)生不同偏離角度時(shí)風(fēng)機(jī)的外特性曲線。

圖5 Δβ2=-8°，不同Δβ1對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)外特性曲線

圖6 Δβ2=+8°，不同Δβ1對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)外特性曲線

對(duì)比圖5和圖6可知：Δβ2正向偏離時(shí)，風(fēng)機(jī)整體性能要優(yōu)于反向偏離時(shí)風(fēng)機(jī)的性能。Δβ1=±8°時(shí)，全壓和效率隨體積流量的變化趨勢和正常情況基本一致，其中Δβ1=+8°對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響最小，甚至在某些體積流量范圍內(nèi)的全壓和效率要大于正常情況，這是因?yàn)槿~片的異常偏離既會(huì)影響全壓大小也會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)流場造成流動(dòng)損失，而單動(dòng)葉安裝角較小角度的正向偏離造成的流動(dòng)損失要小于全壓增加值。隨著異常葉片偏離程度的增大，前后級(jí)異常葉片的干涉作用逐漸加強(qiáng)，造成風(fēng)機(jī)全壓和效率出現(xiàn)大幅度降低，在較小體積流量區(qū)域內(nèi)干涉情況尤為明顯，從而造成風(fēng)機(jī)全壓隨體積流量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的駝峰形曲線，使風(fēng)機(jī)很容易進(jìn)入失速狀態(tài)。

圖5表明：當(dāng)Δβ2=-8°時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓和效率整體均低于正常情況，且隨著異常葉片偏離程度的增大，風(fēng)機(jī)性能出現(xiàn)明顯的惡化，全壓和效率出現(xiàn)大幅度的下降；當(dāng)Δβ1=±12°時(shí)全壓和效率隨體積流量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的駝峰形變化趨勢。此外，Δβ1=+12°相較于Δβ1=-12°，失速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積流量更大，表明風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的不穩(wěn)定工況區(qū)更大，風(fēng)機(jī)更加容易發(fā)生失速故障；但是當(dāng)Δβ1=-12°時(shí)，異常葉片在全體積流量范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響最大，如Δβ1分別等于-12°、-8°、0°、+8°、+12°時(shí)，對(duì)應(yīng)的全壓在全體積流量范圍的平均降低比例分別為15.62%、6.40%、4.03%、4.67%、13.31%，效率分別平均降低12.14%、4.63%、3.12%、3.94%、11.05%。由此表明：Δβ2=-8°情況下，Δβ1=+8°時(shí)對(duì)整機(jī)整體性能影響較小，Δβ1=-12°時(shí)影響較大。

Δβ2=+8°時(shí)，異常葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響與Δβ2=-8°時(shí)風(fēng)機(jī)性能的變化相似(見圖6)，隨著Δβ1從-12°增大到+12°，風(fēng)機(jī)全壓和效率的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在大體積流量工況下變化趨勢和正常情況基本一致，但是Δβ2=+8°對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)性能要明顯優(yōu)于Δβ2=-8°時(shí)。此外，Δβ2=+8°時(shí)風(fēng)機(jī)的外特性曲線變化還呈現(xiàn)如下特征：(1)Δβ1=+8°全壓和效率基本和正常情況保持一致，甚至在部分體積流量范圍內(nèi)，全壓高于正常情況；(2)相同偏離程度下，Δβ1<0°時(shí)風(fēng)機(jī)性能明顯比Δβ1>0時(shí)的風(fēng)機(jī)性能差，以設(shè)計(jì)體積流量505 m3/s為例，在Δβ1-12°～+12°內(nèi)，風(fēng)機(jī)全壓較正常情況下變化情況分別為-9.84%、-6.22%、+0.68%、-4.19%，效率的變化情況分別為-7.93%、-5.34%、-0.48%、-4.84%。

2.2第二級(jí)葉輪特性曲線分析

為探討兩級(jí)葉片同時(shí)出現(xiàn)異常偏離時(shí)第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能的干涉影響，對(duì)下列各情況下第二級(jí)葉輪的全壓及效率隨體積流量的變化情況進(jìn)行分析(見圖7)。

圖7 Δβ2=-8°，不同Δβ1對(duì)應(yīng)的第二級(jí)葉輪特性曲線

當(dāng)?shù)诙?jí)葉輪異常葉片偏離角度保持不變時(shí)(Δβ2=-8°)，第二級(jí)葉輪的全壓及效率的特性曲線受到第一級(jí)葉輪異常葉片偏離角度的影響出現(xiàn)一定程度的變化。

當(dāng)Δβ1=±8°時(shí)，第二級(jí)葉輪的全壓及效率變化趨勢和正常情況基本相同，第一級(jí)葉輪的異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能的影響比較?。划?dāng)Δβ1=±12°時(shí)，第二級(jí)葉輪的全壓及效率隨體積流量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的駝峰形變化趨勢，且Δβ1=+12°與-12°對(duì)應(yīng)的第二級(jí)動(dòng)葉輪的特性曲線存在交點(diǎn)，當(dāng)體積流量小于交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的體積流量時(shí)，Δβ1=-12°時(shí)第二級(jí)葉輪全壓及效率要大于Δβ1=+12°時(shí)，當(dāng)體積流量大于交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積流量時(shí)，情況與之相反。此外Δβ1=-12°，各體積流量范圍內(nèi)全壓和效率都出現(xiàn)了一定程度的降低，而Δβ1=+12°時(shí)，第二級(jí)葉輪的全壓僅在小于一定流量時(shí)出現(xiàn)明顯的降低，且降低幅度較大。

圖8為第二級(jí)異常葉片偏離角度為+8°時(shí)，第一級(jí)葉輪異常葉片偏離不同角度時(shí)對(duì)第二級(jí)葉輪做功能力的影響。

圖8 Δβ2=+8°，不同Δβ1對(duì)應(yīng)的第二級(jí)葉輪外特性曲線

當(dāng)Δβ1=+8°時(shí)第二級(jí)葉輪的測試體積流量范圍內(nèi)全壓及效率和Δβ1=0°時(shí)基本一致，甚至在某些體積流量范圍內(nèi)高于第一級(jí)葉片正常的情況。與圖7有所不同的是當(dāng)Δβ1=-8°時(shí)，葉輪全壓和效率出現(xiàn)較為明顯的降低，且隨著異常葉片偏離程度的增大，葉輪性能逐漸惡化，當(dāng)Δβ1=+12°時(shí)，全壓呈現(xiàn)明顯的駝峰形曲線。

對(duì)比分析圖7和圖8可知：Δβ2=-8°情況下，第一級(jí)葉輪同相異常葉片發(fā)生較小角度異常偏離時(shí)(Δβ1=±8°)，第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪的干涉影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)，而較大角度異常偏離時(shí)(Δβ1=±12°)，第二級(jí)葉輪的性能受到第一級(jí)異常葉片的干涉影響出現(xiàn)較大幅度變化；而當(dāng)Δβ2=+8°時(shí)，第一級(jí)異常葉片偏離角度對(duì)第二級(jí)葉輪性能影響相對(duì)比較明顯，除Δβ1=+8°以外，其他異常偏離角度都會(huì)使第二級(jí)葉輪的做功能力降低，全壓和效率出現(xiàn)明顯的降低。隨著第一級(jí)異常動(dòng)葉偏離程度的增大，第二級(jí)動(dòng)葉輪全壓和效率都出現(xiàn)明顯的駝峰形曲線，且Δβ=+12°對(duì)應(yīng)的不穩(wěn)定工況區(qū)要比Δβ=-12°時(shí)更大，運(yùn)行過程中第二級(jí)葉輪更容易進(jìn)入失速狀態(tài)，說明此時(shí)第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能的干涉影響更大。

2.3導(dǎo)葉效率

動(dòng)葉安裝角異常不僅會(huì)對(duì)葉輪自身的做功能力產(chǎn)生影響，其引起的流場變化對(duì)導(dǎo)葉的擴(kuò)壓能力也會(huì)產(chǎn)生重要影響。第二級(jí)葉輪葉片安裝角發(fā)生一定角度異常情況下，第一級(jí)同相葉片發(fā)生不同角度異常偏離時(shí)對(duì)第一級(jí)導(dǎo)葉性能的影響見圖9(實(shí)線和虛線分別表示第二級(jí)異常葉片反向偏離-8°及正向偏離+8°時(shí)第一級(jí)導(dǎo)葉的效率變化情況)。

圖9 Δβ2=±8°，不同Δβ1對(duì)應(yīng)的第一級(jí)導(dǎo)葉效率變化曲線

從圖9可以看出：當(dāng)兩級(jí)動(dòng)葉同時(shí)發(fā)生安裝角異常偏離時(shí)，第二級(jí)異常葉片正反偏離對(duì)第一級(jí)導(dǎo)葉的導(dǎo)葉效率有著不同的影響。Δβ2=+8°時(shí)第一級(jí)導(dǎo)葉的導(dǎo)葉效率要整體大于Δβ2=-8°時(shí)，說明第二級(jí)葉輪異常葉片對(duì)前一級(jí)導(dǎo)葉的性能也有一定的干涉影響。Δβ2不變情況下，當(dāng)Δβ1=+8°時(shí)，導(dǎo)葉效率受第一級(jí)異常葉片的影響比較小，這與第二級(jí)葉輪性能的變化情況相類似，說明第一級(jí)異常葉片正向偏離+8°時(shí)，第一級(jí)異常葉片對(duì)后面各級(jí)導(dǎo)葉及動(dòng)葉的干涉影響都比較小。當(dāng)Δβ1=±12°時(shí)，第一級(jí)異常葉片對(duì)后續(xù)導(dǎo)葉的擴(kuò)壓性能產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)葉效率隨體積流量的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但是與風(fēng)機(jī)整體性能變化又有些不同的是，當(dāng)Δβ1=+12°時(shí)，在大部分體積流量范圍內(nèi)，導(dǎo)葉效率較正常情況有很大提高，尤其是當(dāng)Δβ2=+8°時(shí)導(dǎo)葉效率在全體積流量范圍內(nèi)都比較高，而Δβ1=-12°時(shí)第一級(jí)導(dǎo)葉的擴(kuò)壓能力出現(xiàn)嚴(yán)重的惡化，導(dǎo)葉效率出現(xiàn)大幅度的降低。

2.4風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場分析

葉輪內(nèi)部流場是反映風(fēng)機(jī)性能的最直觀因素，為進(jìn)一步探討前后級(jí)異常葉片的干涉情況，圖10～圖12分別給出了設(shè)計(jì)工況葉片正常、第二級(jí)單動(dòng)葉異常及兩級(jí)葉輪同相單葉片同時(shí)異常偏離情況下0.5葉高截面處流線圖(圖中旋轉(zhuǎn)部分速度為相對(duì)速度，靜止部分速度為絕對(duì)速度)。

圖10 葉輪正常及第二級(jí)單葉片正反小角度異常偏離時(shí)0.50葉高處葉輪截面流線圖

圖11 Δβ2=-8°時(shí)0.50葉高處葉輪截面流線圖

圖12 Δβ2=+8°時(shí)0.50葉高處葉輪截面流線圖

從圖10可以看出：風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，葉輪內(nèi)部流場分布相對(duì)比較均勻，當(dāng)?shù)诙?jí)發(fā)生單葉片正反較小角度異常偏離時(shí)(Δβ2=±8°)，異常葉片對(duì)前級(jí)導(dǎo)葉的影響相對(duì)比較小，僅在導(dǎo)葉尾緣出現(xiàn)較小尾渦。對(duì)比圖11和圖12可知：當(dāng)前后兩級(jí)同相葉片都發(fā)生一定角度異常偏離時(shí)，第二級(jí)異常葉片的偏離方向?qū)θ~輪內(nèi)部流場的影響則有所不同。Δβ2=+8°時(shí)葉輪流道內(nèi)因異常葉片造成的漩渦區(qū)要比Δβ2=-8°時(shí)小，說明第二級(jí)異常葉片發(fā)生正向偏離時(shí)風(fēng)機(jī)性能要優(yōu)于反向偏離時(shí)風(fēng)機(jī)性能。由圖11(c)與圖12(c)可以看出：當(dāng)?shù)谝患?jí)異常葉片發(fā)生較小角度異常偏離時(shí)，葉片尾緣形成尾渦，隨著流體的流動(dòng)帶入到導(dǎo)葉中，經(jīng)導(dǎo)葉對(duì)尾渦的整流，尾渦消失，流線在周向上變得均勻，進(jìn)入到第二級(jí)葉輪的流體受第一級(jí)異常葉片的影響較小，即第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪的干涉影響相對(duì)較小。而當(dāng)?shù)谝患?jí)葉片發(fā)生較大角度異常偏離時(shí)，異常葉片使第一級(jí)導(dǎo)葉流道內(nèi)產(chǎn)生較大漩渦，阻塞流體流動(dòng)，導(dǎo)葉雖在一定程度上減小了前后級(jí)異常葉片的干涉，但是第二級(jí)葉輪流道內(nèi)流場的均勻性依然受到第一級(jí)異常葉片的影響而被破壞。此外Δβ1=+12°異常葉片對(duì)流場的影響要比Δβ1=-12°時(shí)的影響大。

綜合對(duì)比圖10、圖11、圖12可以看出：第二級(jí)葉輪葉片異常偏離時(shí)不僅對(duì)本級(jí)葉輪內(nèi)流場產(chǎn)生影響，對(duì)上級(jí)葉輪內(nèi)流場也會(huì)產(chǎn)生一定干涉影響，第二級(jí)葉輪異常葉片發(fā)生較小角度的正向偏離時(shí)異常葉片對(duì)流場的干涉影響要小于反向偏離時(shí)。當(dāng)?shù)谝患?jí)葉輪葉片發(fā)生異常偏離時(shí)，異常葉片會(huì)破壞第二級(jí)葉輪流道內(nèi)流場的均勻性，使流道內(nèi)產(chǎn)生漩渦阻塞流道，從而破壞進(jìn)入第二級(jí)葉輪流場的均勻性，使第二級(jí)葉輪流道內(nèi)也很容易發(fā)生漩渦阻塞流道造成風(fēng)機(jī)性能大幅下降。另外，前后級(jí)異常葉片之間的導(dǎo)葉在一定程度上減小了異常葉片的干涉，但隨著異常葉片偏離程度的增大，第二級(jí)葉輪受第一級(jí)異常葉片的干涉影響則逐漸增大。

3 結(jié)語

筆者采用數(shù)值模擬的方法在前后級(jí)動(dòng)葉輪單葉片發(fā)生不同角度異常偏離時(shí)，研究異常葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的影響規(guī)律及前后級(jí)異常葉片的干涉關(guān)系。主要結(jié)論有：

(1) 第二級(jí)異常葉片偏離角度β2=+8°時(shí)風(fēng)機(jī)整體的性能要優(yōu)于β2=-8°時(shí)，且β2保持不變情況下，β1從-12°增加到+12°的過程中，全壓和效率呈現(xiàn)整體先增大后減小的變化趨勢，異常葉片對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響在小體積流量區(qū)域尤為突出。此外，β1=+8°時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)整體性能的影響最小，而β1=-12°時(shí)影響最大。

(2) 第二級(jí)葉輪的做功能力在受到本級(jí)異常葉片偏離角度影響的同時(shí)，也會(huì)受到第一級(jí)異常葉片偏離角度的干涉影響。第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪性能的影響與對(duì)風(fēng)機(jī)整體性能影響的變化規(guī)律基本一致，即隨著第一級(jí)異常葉片偏離程度的增大，全壓和效率出現(xiàn)明顯降低，異常葉片造成的失速點(diǎn)對(duì)應(yīng)流量增大，對(duì)應(yīng)失速區(qū)范圍增大，第二級(jí)葉輪更容易進(jìn)入失速區(qū)。

(3) 兩級(jí)動(dòng)葉之間的導(dǎo)葉在一定程度上減小了前后級(jí)異常葉片的干涉，第一級(jí)葉片發(fā)生較小角度異常偏離時(shí)，第一級(jí)異常葉片對(duì)第二級(jí)葉輪的干涉影響相對(duì)比較小，而第一級(jí)異常葉片發(fā)生較大角度異常偏離時(shí)的干涉影響則相對(duì)比較大。

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StudyonInterferenceEffectsbetweenFirst-andSecond-StageAbnormalBladesofanAxialFlowFan

Feng Yao1, Dong Yunshan1, Si Fengqi1, Bai Delong2, Xie Guanyu2

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Inner Mongolia Daihai Power Generation Co., Ltd.,Ulanqab 012000, Inner Mongolia Autonomous Region, China)

To solve the problem of abnormal drifts of installation angles existing in the first- and second-stage blades of a SAF36-25-2 two-stage adjustable axial-flow induced-draft fan, Fluent software was applied to research the change rules of fan performance parameters and the interference relation of abnormal blades in the first- and second-stage. Results show that the overall fan performance at an abnormal drift angle of Δβ2=+8° in the second impeller is better than that at Δβ2=-8°. Keeping the Δβ2unchanged, when the abnormal drift angle in the first impeller changes from -12° to +12°, the fan performance increases first and then decreases, and both the fan pressure and efficiency show the most evident deterioration in the whole flow range at Δβ1=-12°, whereas the abnormal blade has the least effect on the fan performance at Δβ1=+8°. With the increment of drift angle, the interference effects of the first-stage abnormal blade on the performance of the second-stage impeller would be enhanced.

axial-flow induced-draft fan; rotor blade; installation angle; performance characteristics

2017-02-28；

2017-05-20

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015070-17)

封 遙(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事葉輪機(jī)械及空氣動(dòng)力學(xué)方面研究。E-mail: fy_ryan@163.com

TH443

A

1671-086X(2017)06-0383-07