李 劍， 劉宏凱， 童家麟， 葉學(xué)民

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310014； 2.華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系， 河北 保定071003）

0 前言

具有效率高、流量大、噪聲小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小及調(diào)節(jié)特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)已成為現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)組中鍋爐送、 引風(fēng)機(jī)及一次風(fēng)機(jī)的主要選擇， 兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)因有兩級(jí)葉輪可提高更高出力而廣泛用于600～1 000 MW機(jī)組中。后置導(dǎo)葉作為軸流風(fēng)機(jī)重要的流通部件，將來(lái)自動(dòng)葉圓周速度的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可供利用的壓能，并利用其擴(kuò)散減速作用，將部分軸向速度的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，從而改善內(nèi)流特征、提高效率和運(yùn)行穩(wěn)定性[1]。 因此，深入研究導(dǎo)葉對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響具有重要意義和參考價(jià)值。

溫選鋒[2]討論了離心式壓氣機(jī)中進(jìn)口導(dǎo)葉與葉輪間不同軸向距離對(duì)性能的影響， 指出軸向距離對(duì)壓氣機(jī)性能影響不大， 其主要原因是未改變導(dǎo)葉產(chǎn)生的預(yù)旋作用。 冀春俊[3]對(duì)于離心式壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉的葉型進(jìn)行了研究， 指出葉型改變前后的功耗和效率變化不大，但調(diào)節(jié)范圍拓寬，導(dǎo)葉越彎調(diào)節(jié)范圍越大。 賈玲[4]對(duì)于管式斜流風(fēng)機(jī)后導(dǎo)葉進(jìn)行了數(shù)值設(shè)計(jì)和優(yōu)化， 指出增加導(dǎo)葉數(shù)可改善導(dǎo)葉后流動(dòng)，但在增大摩擦損失的同時(shí)，制造成本也上升。 孟麗[5]優(yōu)化軸流風(fēng)機(jī)后導(dǎo)葉的三維數(shù)值模擬顯示， 導(dǎo)葉數(shù)目減少4 片后全壓提高了5.4 Pa，效率提高了0.8%。 葉學(xué)民[6]分析了第一級(jí)導(dǎo)葉型式對(duì)某兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的影響，指出長(zhǎng)短復(fù)合式導(dǎo)葉的單級(jí)擴(kuò)壓性能及整機(jī)氣動(dòng)性能均優(yōu)于單一葉片式導(dǎo)葉。

上述關(guān)于導(dǎo)葉數(shù)目和結(jié)構(gòu)的研究主要集中于泵、壓氣機(jī)等流體機(jī)械，而對(duì)于大型軸流風(fēng)機(jī)則關(guān)注較少。兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有兩級(jí)葉輪，整體性能進(jìn)一步提高，其內(nèi)部流動(dòng)更加復(fù)雜，兩級(jí)葉輪間的氣動(dòng)耦合更加強(qiáng)烈， 而有關(guān)該類風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)目對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的研究尚未報(bào)道。為此，本文采用Fluent 軟件對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉數(shù)目變化前后的性能進(jìn)行三維模擬， 并分析氣動(dòng)性能和內(nèi)流特征變化，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文所選的兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)為某600 MW 機(jī)組配套的一次風(fēng)機(jī)， 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。 計(jì)算區(qū)域包括從集流器到擴(kuò)壓器的全部?jī)?nèi)流通道。 該單級(jí)葉輪有動(dòng)葉24 片，葉型為24NA24，導(dǎo)葉數(shù)為23 片，其中第一級(jí)為長(zhǎng)短復(fù)合式等厚圓弧板，第二級(jí)為等長(zhǎng)度等厚圓弧板，葉輪直徑為1 778 mm，輪轂比為0.672，風(fēng)機(jī)總長(zhǎng)為 6.3 m，工作轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，設(shè)計(jì)流量為82.5 m3/s。 導(dǎo)葉改造方案圍繞兩級(jí)導(dǎo)葉數(shù)目開展， 其中方案一到三為導(dǎo)葉數(shù)目減少，方案四到六為導(dǎo)葉數(shù)目增加，具體方案如表1 所示。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of axial flow fan

表1 導(dǎo)葉改造方案Table 1 Retrofit case of guide vanes

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

基于該風(fēng)機(jī)的軸向分區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 采用分區(qū)法將計(jì)算區(qū)域劃分為集流器區(qū)、第一級(jí)動(dòng)葉區(qū)、第一級(jí)導(dǎo)葉區(qū)、第二級(jí)動(dòng)葉區(qū)、第二級(jí)導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)。因動(dòng)葉區(qū)內(nèi)流動(dòng)極其復(fù)雜，故采用加密網(wǎng)格處理，而集流器區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓器區(qū)則采用稀疏網(wǎng)格。在模擬中進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，分別采用260 萬(wàn)、380 萬(wàn)、560 萬(wàn)和 820 萬(wàn)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)計(jì)算，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的要求，確定網(wǎng)格數(shù)目為560 萬(wàn)。 結(jié)果顯示，在該網(wǎng)格下，時(shí)間成本和模擬精度最好。在模擬過(guò)程中，導(dǎo)葉數(shù)變化后，風(fēng)機(jī)網(wǎng)格數(shù)會(huì)出現(xiàn)2～3 萬(wàn)的變化，因網(wǎng)格基數(shù)較大，可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)基本不變。

運(yùn)動(dòng)方程為三維定常雷諾時(shí)均N-S 方程，湍流模型采用Realizable k-ε，該模型可有效解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度邊界層流動(dòng)分離、二次流及回流等情形[7]，[8]，動(dòng)葉區(qū)采用多重參考系模型。 模擬過(guò)程中：將集流器進(jìn)口作為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口，邊界條件設(shè)為進(jìn)口速度； 擴(kuò)壓器出口截面作為整個(gè)計(jì)算域的出口，設(shè)為自由流出；風(fēng)機(jī)各部分之間用interface 傳遞數(shù)據(jù)。 當(dāng)流量殘差小于10-5，各方向的速度及k，ε 等的殘差小于10-4時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前計(jì)算達(dá)到收斂。

1.3 數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性

圖2 為模擬結(jié)果與樣本值的曲線圖。 由圖2可知，在模擬范圍內(nèi)，模擬所得全壓和效率與風(fēng)機(jī)廠家提供的樣本數(shù)據(jù)間的平均偏差分別為4.2%和1.8%。在設(shè)計(jì)流量下為3.4%和2.2%，由此可保證數(shù)值模擬的可靠性， 模擬結(jié)果可反映該風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行性能。

圖2 模擬結(jié)果與樣本曲線的對(duì)比Fig.2 Comparison of simulated and experimental results

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 性能影響

圖3 和圖4 為導(dǎo)葉數(shù)目對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。導(dǎo)葉數(shù)目改變后，性能曲線變化趨勢(shì)保持不變，即隨流量提高全壓逐漸減小，設(shè)計(jì)點(diǎn)下效率最高。

圖3 導(dǎo)葉數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)全壓曲線的影響Fig.3 Effect of guide vane number on full pressure rise curve

圖4 導(dǎo)葉數(shù)對(duì)效率曲線的影響Fig.4 Effect of guide vane number on efficiency curve

由圖3（a）可知：在導(dǎo)葉數(shù)減少后，全壓在全流量范圍內(nèi)高于原風(fēng)機(jī)，僅方案二，當(dāng)體積流量qv>90 m3/s 時(shí)低于原風(fēng)機(jī)；當(dāng)qv=80 m3/s 時(shí)，方案三全壓提升效果明顯，約為141 Pa，隨流量增大提升幅度逐漸減?。蝗N導(dǎo)葉數(shù)減少方案中，方案三全壓提升效果最佳。 由圖3（b）可知：當(dāng)qv<80 m3/s時(shí)，導(dǎo)葉數(shù)增加后的全壓均高于原風(fēng)機(jī)；當(dāng)qv＞80 m3/s 時(shí)，方案五和六的全壓均低于原風(fēng)機(jī)，且隨流量增大全壓較原風(fēng)機(jī)下降更加明顯。 在導(dǎo)葉增多方案中，方案四對(duì)于全壓提升效果最好，方案六次之。

由圖4 知：在低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，導(dǎo)葉數(shù)不管增加還是減少，其效率均高于原風(fēng)機(jī)，其中方案三最佳，在設(shè)計(jì)流量下提升0.46%，且導(dǎo)葉數(shù)減少方案的效率提升優(yōu)于導(dǎo)葉數(shù)增加方案； 在高于設(shè)計(jì)流量時(shí)，導(dǎo)葉數(shù)增加方案的效率均低于原風(fēng)機(jī)，且方案五、六隨流量增大效率下降更明顯；導(dǎo)葉數(shù)減少的方案中，方案三效率總體高于原風(fēng)機(jī)，僅大流量側(cè)略微低于原風(fēng)機(jī)，提升效果較好。

上述結(jié)果表明， 方案三即兩級(jí)導(dǎo)葉數(shù)均減少至21 片時(shí)為最佳選擇，因此，本文針對(duì)方案三和原風(fēng)機(jī)開展對(duì)比分析。

定義動(dòng)葉區(qū)的總壓升系數(shù)（ψpt）以反映整個(gè)葉輪區(qū)的做功能力。

式中：p1t，p2t分別為轉(zhuǎn)子進(jìn)、出口總壓；ρ 為空氣密度；ut為葉輪的圓周速度。

定義導(dǎo)葉區(qū)擴(kuò)壓系數(shù)（Dss）以反映整個(gè)導(dǎo)葉區(qū)的擴(kuò)壓能力。

式中：p1s，p2s分別為導(dǎo)葉區(qū)進(jìn)、出口靜壓。

圖5 為原風(fēng)機(jī)和方案三的總壓升系數(shù)和導(dǎo)葉擴(kuò)壓系數(shù)曲線圖。 由圖5 可知：當(dāng)導(dǎo)葉數(shù)從23 片減至21 片時(shí)，對(duì)第一級(jí)的總壓升系數(shù)和導(dǎo)葉擴(kuò)壓系數(shù)基本沒(méi)有影響， 即導(dǎo)葉數(shù)減小不影響上游動(dòng)葉的做功能力和導(dǎo)葉的擴(kuò)壓能力； 第二級(jí)葉輪的總壓系數(shù)和導(dǎo)葉擴(kuò)壓系數(shù)均高于原風(fēng)機(jī)， 由此提高了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能， 從而表現(xiàn)出圖3 和圖4 的風(fēng)機(jī)性能提升。

圖5 總壓升系數(shù)和擴(kuò)壓系數(shù)的比較Fig.5 Comparison of total pressure rise coefficient and static pressure rise coefficient

鑒于風(fēng)機(jī)選型時(shí)通常參數(shù)裕量選擇過(guò)大，致使風(fēng)機(jī)多運(yùn)行在設(shè)計(jì)點(diǎn)左側(cè)[9]，因此，方案三對(duì)中小流量下風(fēng)機(jī)性能提升的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。同時(shí)，減少導(dǎo)葉數(shù)目還可降低成本，便于管理。 因此，采取兩級(jí)導(dǎo)葉數(shù)目均減少的方案三對(duì)于可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)和改造具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 流場(chǎng)特征

為揭示方案三中的導(dǎo)葉數(shù)減少對(duì)提升風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的內(nèi)在機(jī)理，本文從內(nèi)流特征加以分析。

2.2.1 動(dòng)葉表面上的總壓分布

圖6，7 分別為導(dǎo)葉數(shù)變化前后動(dòng)葉表面上的總壓分布圖。

圖6 原風(fēng)機(jī)動(dòng)葉表面上的總壓分布Fig.6 Total pressure distribution of blade surface of the original fa

圖7 方案三動(dòng)葉表面上的總壓分布Fig.7 Total pressure distribution of blade surface of Case 3

由圖6，7 可知： 兩級(jí)葉片的總壓分布特征大體相似，壓力面上的總壓先降后升，在中后部位形成一高壓區(qū)，呈倒三角形且面積較大，該區(qū)域也是葉片做功的主要部位[10]；吸力面上的總壓分布從進(jìn)口到出口逐漸升高， 因吸力面前緣處的氣流不能很好地附著在翼型表面，產(chǎn)生了流動(dòng)分離，因而在前緣附近形成一明顯低壓區(qū)； 由于第二級(jí)進(jìn)口氣體流速較快， 流體脫離葉片表面的現(xiàn)象較第一級(jí)相對(duì)明顯， 因而其形成的低壓區(qū)范圍大于第一級(jí)。由于此軸流風(fēng)機(jī)是后置導(dǎo)葉，導(dǎo)葉數(shù)變化對(duì)第一級(jí)動(dòng)葉全壓基本沒(méi)有影響[圖 6（a），（b）和圖7（a），（b）]；而第一級(jí)導(dǎo)葉數(shù)減少后，進(jìn)入第二級(jí)動(dòng)葉前的氣流速度分布更加均勻、且流道較寬、高壓區(qū)較大，使第二級(jí)動(dòng)葉做功能力有所增強(qiáng)，壓力面高壓區(qū)有所擴(kuò)大[圖 6（c）和 7（c）]；吸力面葉根前緣附近的氣體脫離葉片表面現(xiàn)象得到一定緩解，低壓區(qū)有所減小[圖 6（d）和 7（d）方框部分]，尾緣處的狹長(zhǎng)高壓帶面積有所增大， 使第二級(jí)動(dòng)葉的做功能力較原風(fēng)機(jī)有所增強(qiáng)、損失降低，這也從內(nèi)流特征上反映了風(fēng)機(jī)性能、 第二級(jí)總壓升系數(shù)和擴(kuò)壓系數(shù)及效率提高的情況。

2.2.2 渦分布

軸流風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中， 在葉片尾部和機(jī)殼內(nèi)表面上產(chǎn)生渦流損失和能量耗散[11]，并由此降低風(fēng)機(jī)效率。 為更清楚地顯示導(dǎo)葉數(shù)減小后的流動(dòng)和分離特征，采用Q 渦準(zhǔn)則給出第二級(jí)導(dǎo)葉的渦分布（圖8），圖中箭頭表示氣流運(yùn)動(dòng)方向。

圖8 第二級(jí)導(dǎo)葉流道內(nèi)的渦分布Fig.8 Vortex distribution around the second guide vane

由圖8 可知：A 處為來(lái)自第二級(jí)動(dòng)葉近葉頂尾緣位置脫落的尾跡分離渦，強(qiáng)度較大；B 和C 為高速氣體與機(jī)殼內(nèi)壁面產(chǎn)生的分離渦，其中B 主要集中于導(dǎo)葉入口位置且分布尺度較大；D 為氣體在導(dǎo)葉吸力面處產(chǎn)生的面積較大的分離渦。 氣流從動(dòng)葉區(qū)進(jìn)入導(dǎo)葉區(qū)沖擊弧形導(dǎo)葉壓力面，壓力面附近氣體受到氣流沖擊作用， 產(chǎn)生分離渦較少， 而吸力面則產(chǎn)生較強(qiáng)的分離渦。 采用方案三后， 第二級(jí)導(dǎo)葉區(qū)產(chǎn)生的渦位置基本不變， 但B處渦強(qiáng)度減弱和C 處渦的尺度變小，由此減小了能量耗散， 與擴(kuò)壓系數(shù)升高和整機(jī)效率提高的結(jié)論相一致。

3 結(jié)論

①導(dǎo)葉數(shù)目是影響風(fēng)機(jī)性能的重要因素。 對(duì)于兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)， 導(dǎo)葉數(shù)減少后的風(fēng)機(jī)性能整體高于原風(fēng)機(jī)， 而導(dǎo)葉數(shù)增加后的風(fēng)機(jī)性能未必高于原風(fēng)機(jī)；采用兩級(jí)導(dǎo)葉數(shù)目減至21 片的方案三時(shí)風(fēng)機(jī)性能提升效果最佳， 在設(shè)計(jì)工況下全壓提升119 Pa，效率提升0.4%，小流量側(cè)提升效果更加顯著。

②在設(shè)計(jì)工況下， 方案三動(dòng)葉表面主要做功區(qū)域有所擴(kuò)大，低壓區(qū)域有所減少，第二級(jí)導(dǎo)葉區(qū)的渦分布強(qiáng)度減弱、尺度減小。