鄧 蘞

(中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525099)

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是石油化工企業(yè)重要的公用工程裝置，其總電耗在石油化工企業(yè)中約占20%以上。冷卻塔風(fēng)機(jī)作為循環(huán)水系統(tǒng)的核心設(shè)備，使用能耗約占循環(huán)水系統(tǒng)總電耗10%左右，降低風(fēng)機(jī)能耗便成為降低系統(tǒng)電耗的重要途徑之一。茂名石化地處我國南方沿海地區(qū)，環(huán)境濕球溫度較高，年平均溫度22.3～23℃，全年中超過一半時(shí)間水場(chǎng)81臺(tái)風(fēng)機(jī)全開，再加上茂名石化很多循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)較早，風(fēng)機(jī)效率偏低，風(fēng)機(jī)節(jié)能空間巨大。

本文擬設(shè)計(jì)一種新型機(jī)翼型風(fēng)機(jī)葉片，以提高風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能，從而提高風(fēng)機(jī)效率，取得顯著的節(jié)能效果。

1 傳統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片特點(diǎn)

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造中由于設(shè)計(jì)壓比較小，因此葉型多采用制造較為簡(jiǎn)單的板型葉片。采用板型葉片的風(fēng)機(jī)制造成本低，但氣動(dòng)性能尤其是變工況運(yùn)行時(shí)性能下降較大[1]。

2 新型機(jī)翼狀葉片的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

冷卻塔風(fēng)機(jī)的性能主要是由葉輪的氣動(dòng)性能決定，葉輪是風(fēng)機(jī)的重要組成部分，也是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部件，所以風(fēng)機(jī)的效率取決于葉輪的性能，而葉輪的性能取決于葉片氣動(dòng)性能，即葉片形狀[2-3]。

機(jī)翼狀葉片有較好氣動(dòng)性能，所以本研究擬設(shè)計(jì)一種新型機(jī)翼型扭曲狀葉片。

2.2 設(shè)計(jì)原則

新型機(jī)翼型葉片研制應(yīng)在原有葉片基礎(chǔ)上進(jìn)行，即既可以在水場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)上應(yīng)用，也應(yīng)利用原有的大部分設(shè)施部件。

葉輪的改造主要是葉片，葉片更換為新型的機(jī)翼型葉片。此類新型葉片翼型與材料和傳統(tǒng)葉片有較大變化，葉片邊緣通過玻璃鋼、環(huán)氧樹脂和碳纖維經(jīng)復(fù)雜工藝一體制作而成，并在表面噴涂聚乙烯涂層進(jìn)行了強(qiáng)化處理，在使用高效的同時(shí)更加安全、耐用。

2.3 設(shè)計(jì)及優(yōu)化步驟

首先建立風(fēng)機(jī)主要零件的三維模型[4-5]，見圖1至圖3。

圖1 進(jìn)口域模型 圖2 出口域模型

圖3 葉片模型

運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理，通過三維CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行定常與非定常多工況計(jì)算。

由于采用全三維彎、扭、掠設(shè)計(jì)技術(shù)，優(yōu)化了沿葉片高度的葉型最大厚度、弦長(zhǎng)、彎角和攻角的分布，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。新型機(jī)翼型葉片因良好的氣動(dòng)性能總體指標(biāo)大幅提高，這可從新型機(jī)翼型葉片葉根、葉尖，以及全葉高流線圖得知，見下圖d、e、f。新型機(jī)翼型葉片吸力面表面有明顯的氣流加減速情況，表面速度分布使氣體流動(dòng)匹配能力更強(qiáng)、更合理，氣動(dòng)損失更小，穩(wěn)定工作范圍更寬。此外，葉輪后段流場(chǎng)截面突然擴(kuò)大，氣流流動(dòng)紊亂明顯，流動(dòng)損失加大，為了改善原葉輪上方的渦流現(xiàn)象，加裝了導(dǎo)流罩，有效地改善了流場(chǎng)的紊亂流動(dòng)及其渦流現(xiàn)象，使上方的流場(chǎng)趨向更加理想。

圖4 葉根流線 圖5 葉尖流線

圖6 全葉高流線

2.4 數(shù)值模擬結(jié)論

數(shù)值模擬表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)翼狀葉片具有以下特點(diǎn)：

(1)由于離心力場(chǎng)的影響，葉片沿葉高方向?yàn)榕で?，葉根到葉緣的變化符合空氣動(dòng)力學(xué)的要求，葉片這種彎掠結(jié)構(gòu)，改善存在于葉頂間隙的渦流，減少能量的損失；

(2)葉根端厚度相對(duì)較大，保證較大流量范圍，且氣流波動(dòng)程度較低，有較大的穩(wěn)定工作區(qū)間，同時(shí)還減小葉頂泄漏流對(duì)主流的影響，減少葉頂二次流動(dòng)強(qiáng)度，有效抑制葉輪的二次流動(dòng)損失；

(3)葉片中尾部較薄(確保強(qiáng)度)，升阻力較大，有較好的氣動(dòng)性能；

(4)葉型寬前緣，尖后緣，改善葉片前緣附近的流動(dòng)情況，阻力小，氣體流動(dòng)性好；

(5)加大葉片的截面尺寸，加寬葉片，提高風(fēng)機(jī)的全壓效率，提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)速。

3 風(fēng)機(jī)葉片現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

3.1 測(cè)試條件一

葉片改造前測(cè)試的風(fēng)機(jī)是L92風(fēng)機(jī)，輪轂板直徑1220mm，風(fēng)葉安裝角13°，進(jìn)風(fēng)口直徑10000mm。測(cè)試當(dāng)天，進(jìn)水溫度39℃，出水溫度25.6℃。

3.2 測(cè)試條件二下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量

依據(jù)測(cè)試條件一開展測(cè)試，得到表1的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)試條件一各測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速(m/s)

(1)進(jìn)風(fēng)口面積

上式中，R為風(fēng)筒直徑(m)，取10m；R0為輪轂板無效區(qū)直徑(m)，取1.22m，因此：

A=77.33m2

(2)氣體體積流量(風(fēng)量)

Q=V×A×3600
Q=253.80×104m3/s

(2)

3.3 測(cè)試條件二

葉片改造測(cè)試的風(fēng)機(jī)是L92風(fēng)機(jī)，輪轂板直徑1200mm，風(fēng)葉安裝角13°，進(jìn)風(fēng)口直徑10000mm。測(cè)試當(dāng)天，進(jìn)水溫度39℃，出水溫度25.8℃。

3.4 測(cè)試條件二下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量

依據(jù)測(cè)試條件二，得到表2各測(cè)量位置的風(fēng)速。

表2 測(cè)試條件二各測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速(m/s)

(1)進(jìn)風(fēng)口面積

上式中，R為風(fēng)筒直徑(m)，取10m；R0為輪轂板無效區(qū)直徑(m)，取1.2m，

因此：

A=77.37m2

(2)氣體體積流量(風(fēng)量)

Q=V×A×3600
Q=254.44×104m3/s

(4)

上述兩個(gè)測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)葉片改造前后風(fēng)機(jī)風(fēng)速、氣體流量(風(fēng)量)變化不大。

3.5 風(fēng)機(jī)其它數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

上述測(cè)試中，風(fēng)機(jī)其他性能數(shù)值測(cè)得如表3。

表3 風(fēng)機(jī)改造前后的性能數(shù)據(jù)

表3中，電流變化率：

(228-201)/228=11.8%

電機(jī)功率(電機(jī)功率因數(shù)是0.89)：

一臺(tái)L92風(fēng)機(jī)一天節(jié)能：

(P改前-P改后)×24=(134-118)×24=384kW·h

茂名石化水務(wù)部共有50臺(tái)L92風(fēng)機(jī)，夏天按一個(gè)月30天計(jì)算，可節(jié)約用電：

384×30×50=576000kW·h

此外，50臺(tái)風(fēng)機(jī)減少葉片數(shù)量：

50×(10-8)=100片

4 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，應(yīng)用新型機(jī)翼型葉片后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

(2)風(fēng)機(jī)改造后，企業(yè)一次減少葉片用量100片，顯著降低了風(fēng)機(jī)成本。

(3)風(fēng)葉安裝角度相同的情況下，每臺(tái)風(fēng)機(jī)改造前后風(fēng)速、風(fēng)量基本相同，改造后的電機(jī)電流比改造前的電流小27A，計(jì)算電功率小了16kW，節(jié)能效果明顯，說明風(fēng)機(jī)可通過改用新型機(jī)翼型葉片達(dá)到顯著節(jié)能目標(biāo)。

[1]褚雙磊，俞國勝，秦瑞鴻.軸流式風(fēng)力滅火機(jī)的高速軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].研究空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào).2010，25(8)：566-570.

[2]左國華.機(jī)翼型及板型葉片軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算及比較[J].節(jié)能技術(shù)，2008，26(148)：133-135.

[3]朱娟娟，陳江平.冷卻塔風(fēng)機(jī)支承結(jié)構(gòu)的流體學(xué)優(yōu)化[J].水電能源科學(xué)，2005，23(2)：52-54.

[4]陳陽.后置導(dǎo)風(fēng)錐對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能影響的研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù).2016，(5)：31-35.

[5]席德科，楊青，等.先進(jìn)翼型與先進(jìn)翼型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2000，28(4)：5-9.