路麗威李 嵩楊成興田 瑞,4劉滿富張吉也班建民

（1.，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.清華大學(xué)航天航空學(xué)院；3.河北騫海鼓風(fēng)機(jī)公司；4.風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0　引言

核電站大氣安全殼大氣監(jiān)測系統(tǒng)（ETY）中離心通風(fēng)機(jī)的主要功能是提供安全殼內(nèi)空氣沿ETY系統(tǒng)管網(wǎng)流動(dòng)所需壓頭，用以克服流體沿管道流動(dòng)產(chǎn)生的阻力，并維持安全殼內(nèi)一定的負(fù)壓。資料顯示，ETY系統(tǒng)所用風(fēng)機(jī)多為前彎葉輪，效率偏低，且未完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，因此設(shè)計(jì)高效率、運(yùn)行工況廣、運(yùn)行安全的ETY系統(tǒng)離心通風(fēng)機(jī)對實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)核級設(shè)備的完全國產(chǎn)化，徹底打破國外核級風(fēng)機(jī)對我國核電產(chǎn)業(yè)的壟斷，縮小與國際水平的差距，具有非常重要的意義[1]。

1　通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

核級風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)要求風(fēng)量8 000m3/h，全壓5 000Pa，風(fēng)機(jī)效率不低于66%。所設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)應(yīng)進(jìn)行空氣動(dòng)力性能試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)應(yīng)達(dá)到規(guī)定的風(fēng)量、風(fēng)壓要求，在額定流量下，允許壓力偏差-5%～+10%。

運(yùn)用清華大學(xué)提出的高性能通風(fēng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，根據(jù)清華大學(xué)在工業(yè)離心通風(fēng)機(jī)工程設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照后彎離心葉輪來設(shè)計(jì)該風(fēng)機(jī)[2-5]。上一代ETY風(fēng)機(jī)多采用前彎離心葉片，雖然風(fēng)機(jī)的體積稍小，但能耗高、噪聲大，改為后彎葉片后雖然葉輪直徑會(huì)稍有增加，但風(fēng)機(jī)效率可以大幅提升、噪聲明顯降低。初步設(shè)計(jì)幾何尺寸如下表1。

表1　離心通風(fēng)機(jī)幾何尺寸Tab.1　Centrifugal fan geometry parameters

2　通風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬與優(yōu)化

2.1　通風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算

首先對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行整機(jī)三維建模，然后進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的整機(jī)數(shù)值模擬。采用SIMPLE算法，湍流模式采用RNG k-ε湍流模式。進(jìn)行整機(jī)性能數(shù)值模擬的同時(shí)監(jiān)控迭代殘差及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口截面的壓力、葉輪的扭矩。當(dāng)?shù)鷼埐罱档偷?0-4以下、同時(shí)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口總壓和扭矩趨于常數(shù)時(shí)計(jì)算結(jié)束，計(jì)算得到的進(jìn)出口總壓差即為風(fēng)機(jī)的全壓。

計(jì)算得到初步設(shè)計(jì)核電專用離心通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能參數(shù)如表2所示。

表2　離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能參數(shù)Tab.2　Centrifugal fan aerodynamic performance parameters

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看到初步設(shè)計(jì)的核電用離心通風(fēng)機(jī)效率可以達(dá)到核電站使用要求，但風(fēng)機(jī)全壓僅有4 876.4Pa，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的5 000Pa，而且蝸殼損失也稍大。接下來對初步設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)作進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.2　通風(fēng)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化

影響離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的參數(shù)有葉片數(shù)z、進(jìn)口加速系數(shù)ε、葉片進(jìn)口角β1A、葉片出口角β2A、風(fēng)舌間隙以及無葉擴(kuò)壓器等[6]。以上性能參數(shù)決定了風(fēng)機(jī)的模型大小和形狀，對于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場的流體流動(dòng)情況也十分重要，根據(jù)以上分析，主要通過修改葉片數(shù)、進(jìn)口加速系數(shù)ε、葉片進(jìn)口角β1A等方面進(jìn)行風(fēng)機(jī)的優(yōu)化，因初始設(shè)計(jì)流場較好，故主要通過風(fēng)機(jī)的全壓、效率來判斷風(fēng)機(jī)的整體性能。由于這是多個(gè)參數(shù)的綜合優(yōu)化問題，比較復(fù)雜，故采用控制變量的方法，在選定一個(gè)參數(shù)后，其余保持不變，當(dāng)?shù)玫皆搮?shù)的最佳值后，再進(jìn)行下一參數(shù)的優(yōu)化，經(jīng)過多輪的優(yōu)化計(jì)算，盡可能的將所有參數(shù)達(dá)到最佳值，使風(fēng)機(jī)的全壓及效率達(dá)到設(shè)計(jì)要求[7]。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)[8]，為保證風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求，首先將葉片數(shù)由初始的12改為16，其他參數(shù)均不改變，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。葉片數(shù)改為16之后，計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

表3　葉片數(shù)為16的風(fēng)機(jī)性能結(jié)果Tab.3　Fan performance with16 blades

對比表2與表3，風(fēng)機(jī)效率提高0.78%，風(fēng)機(jī)全壓提高453.7Pa，整體風(fēng)機(jī)性能均有所提高，這是由于葉片數(shù)目增加后，葉片做功增加使得風(fēng)機(jī)全壓升高。故選取葉片數(shù)為16進(jìn)行下一步優(yōu)化，目標(biāo)是保證風(fēng)機(jī)全壓的前提下風(fēng)機(jī)效率最優(yōu)。

分別調(diào)整進(jìn)口加速系數(shù)ε、葉片出口寬度b2與葉片進(jìn)口寬度b1比值、葉片出口寬度b2和蝸殼寬度B的比值BR以及葉片進(jìn)口角度，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制風(fēng)機(jī)性能曲線如圖1～4所示。

圖1　不同進(jìn)口加速系數(shù)的風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.1　Fan performance curves of different inlet acceleration factors

圖3　不同BR值的風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.3　Fan performance curves of differentBRvalues

圖4　不同葉片進(jìn)口角的風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.4　Fan performance curves of different inlet blade angles

在全壓符合設(shè)計(jì)要求的情況下，選取效率最高的一組參數(shù)，經(jīng)過以上幾輪設(shè)計(jì)之后，最終確定的風(fēng)機(jī)方案的參數(shù)如表4所示。

表4　最佳方案參數(shù)值Tab.4　Best solution of parameters

2.3　優(yōu)化結(jié)果對比分析

優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能參數(shù)對比表5所示。

通過表5可見，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)全壓增加了452.2Pa，風(fēng)機(jī)效率增加1.05%，該優(yōu)化結(jié)果表明：通過對風(fēng)機(jī)幾何參數(shù)的修改，使得風(fēng)機(jī)的的整體性能有所提升。按照經(jīng)驗(yàn)，對于風(fēng)機(jī)的全壓，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果會(huì)有3%～5%的偏差，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)全壓在考慮最大偏差5%的情況下，也達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的風(fēng)機(jī)全壓5 000Pa。

表5　優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)性能參數(shù)對比Tab.5　Comparison of the fan performance parameters before and after optimization

圖5～8為優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)相對速度場以及靜壓分布對比圖，圖中所示的是葉輪出口寬度為50%處的葉片-葉片面。

通過對比圖5和圖6可以看出，圖5在蝸舌附近的葉片通道中葉片吸力邊有小的回流，圖6優(yōu)化后的葉片出口處以及蝸殼內(nèi)靠近出口的部分，速度分布更加均勻，葉片-葉片面內(nèi)的流動(dòng)也無分離、回流或旋渦等增大流動(dòng)損失的現(xiàn)象，葉片前緣處氣流角與葉片幾何角配合很好，葉片尾緣吸力邊附近未出現(xiàn)明顯的分離。

對比圖7，8可以看出，在葉輪葉片進(jìn)口靠近吸力面的一側(cè)靜壓值升高，低壓區(qū)域有所減少，流動(dòng)情況得到改善。從圖8中可以看出蝸殼內(nèi)部處的壓力呈環(huán)狀分布，在同一個(gè)圓周角上，離蝸殼側(cè)越近，壓力越大，這是由于氣流從葉輪流出流通面積變大，速度降低，葉輪做的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能。隨著圓周角的增加靜壓呈增加趨勢，當(dāng)?shù)浇咏隹谔庫o壓達(dá)到最大，這是由于蝸殼側(cè)壁將氣流不斷聚集，使內(nèi)能不斷聚集，這與蝸殼起擴(kuò)壓作用是吻合的[9]。

圖5　優(yōu)化前風(fēng)機(jī)相對速度流場Fig.5　Relative velocity field before optimization

圖6　優(yōu)化后風(fēng)機(jī)相對速度流場Fig.6　Relative velocity field after optimization

圖7　優(yōu)化前風(fēng)機(jī)靜壓分布Fig.7　Static pressure distribution before optimization

圖8　優(yōu)化后風(fēng)機(jī)靜壓分布Fig.8　Static pressure distribution after optimization

圖9　優(yōu)化前子午面速度場Fig.9　Meridian velocity field before optimization

圖10　優(yōu)化后子午面速度場Fig.10　Meridian velocity field after optimization

圖9所示優(yōu)化前子午面速度場，可以看到整個(gè)流動(dòng)過程相對來說比較順暢均勻，但在葉片出口處有小的回流與分離現(xiàn)象；從圖10給出的子午面速度場可以看到，氣流經(jīng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入葉輪進(jìn)口的過程中，在進(jìn)風(fēng)口擴(kuò)壓段沒有出現(xiàn)脫體和分離，氣體流入葉片通道時(shí)也未在前盤處出現(xiàn)分離，進(jìn)風(fēng)口保證了氣流順暢地進(jìn)入葉輪，優(yōu)化葉片進(jìn)出口寬度比后，風(fēng)機(jī)性能達(dá)到最佳。

綜上所述，通過對離心通風(fēng)機(jī)的優(yōu)化，使得風(fēng)機(jī)性能得到進(jìn)一步提升，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果，其效率也有望達(dá)到一級能效等級的標(biāo)準(zhǔn)。

3　樣機(jī)性能測試

樣機(jī)性能試驗(yàn)是按照GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行的，采用試驗(yàn)裝置為C型管道進(jìn)氣試驗(yàn)裝置[10]，使用電測法測量功率，風(fēng)機(jī)性能測試前對所使用的電機(jī)進(jìn)行了性能曲線測試，在計(jì)算風(fēng)機(jī)效率時(shí)排除了電機(jī)功耗的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制風(fēng)機(jī)性能曲線如圖11所示。

從圖11可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)流量在2.235 1m3/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率達(dá)到最高87.65%，數(shù)值模擬工況點(diǎn)為2.22m3/s時(shí)，風(fēng)機(jī)效率達(dá)到最高值87.74%，由此可以看出，在風(fēng)機(jī)效率的計(jì)算上，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符。綜上，試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的核電專用的離心通風(fēng)機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)與數(shù)值模擬吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11　試驗(yàn)所測風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.11　The performance curves of fan

4　結(jié)論

根據(jù)核電風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，利用離心通風(fēng)機(jī)現(xiàn)代氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

1）通過修改葉片數(shù)目、進(jìn)口加速系數(shù)、葉片進(jìn)出口寬度之比、葉片出口寬度與蝸殼寬度之比、葉片進(jìn)口角，最終所得到的風(fēng)機(jī)全壓由最初的4 876.4Pa提高到5 328.6Pa，風(fēng)機(jī)效率提高了1.05%，蝸殼損失也有所減少，效率超過上一代ETY系統(tǒng)所用的核級風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)全壓在設(shè)計(jì)流量也滿足設(shè)計(jì)要求。

2）分析風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，氣體在整個(gè)流動(dòng)過程中都比較順暢，分離、回流現(xiàn)象都很少，速度分布比較均勻，這說明風(fēng)機(jī)的葉輪、蝸殼設(shè)計(jì)都是比較合理的。并通過樣機(jī)試驗(yàn)測試風(fēng)機(jī)性能，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

3）在設(shè)計(jì)過程中，主要還是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，有些參數(shù)的選取依靠的是經(jīng)驗(yàn)值，后續(xù)還應(yīng)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核以及進(jìn)一步的優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)目的主要為提高風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)機(jī)全壓，在降噪方面有待進(jìn)一步研究[11]。