郭 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

近幾年，隨著電力資源的不斷發(fā)展應(yīng)用，供電系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增加，且用電端負(fù)荷的增加，對供電系統(tǒng)的容量及穩(wěn)定要求也隨之增加。變壓器是供電系統(tǒng)中主要的變電壓設(shè)備，為滿足供電系統(tǒng)的需求，變壓器的容量也不斷增加[1]，在使用過程中會產(chǎn)生大量的熱量，對設(shè)備自身的使用也造成嚴(yán)重的干擾。為實(shí)現(xiàn)對變壓器及時的散熱，多采用對變壓器配置相應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)散熱[2]，同時風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)行也存在噪聲污染的問題。變壓器冷卻風(fēng)機(jī)多采用軸流風(fēng)機(jī)的形式，氣動噪聲是其主要的噪聲源[3]，葉片的前緣結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)機(jī)的噪聲及性能具有綜合的影響作用。采用數(shù)值模擬的形式對不同結(jié)構(gòu)前緣葉片引起的冷卻風(fēng)機(jī)氣動性能變化進(jìn)行分析[4]，從而選取合理的結(jié)構(gòu)形式提高冷卻風(fēng)機(jī)性能，提高變壓器的散熱性。

1 變壓器冷卻風(fēng)機(jī)不同前緣結(jié)構(gòu)分析模型的建立

以某變壓器使用的冷卻風(fēng)機(jī)為研究對象進(jìn)行分析，采用UG 建立冷卻風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，風(fēng)機(jī)的功率為6kW，額定流量為165m3/min，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，葉輪的直徑為570 mm。采用Ansys Fluent 軟件進(jìn)行變壓器冷卻風(fēng)機(jī)的性能分析[5]，為避免邊界效應(yīng)的影響作用，在模型中將冷卻風(fēng)機(jī)的進(jìn)口及出口區(qū)域進(jìn)行延長作為流體的計算域，進(jìn)口區(qū)的長度為葉輪直徑的3 倍，出口區(qū)域?yàn)槿~輪長度的4 倍[6]，則模型可以分為進(jìn)口區(qū)、風(fēng)機(jī)區(qū)及出口區(qū)三個計算域，如圖1 所示。

圖1 冷卻風(fēng)機(jī)計算模型的劃分

在模型中對變壓器冷卻風(fēng)機(jī)的計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，采用切割體網(wǎng)格類型，避免生成較大的六面體網(wǎng)格影響計算準(zhǔn)確性[7]，對動靜葉輪位置的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的加密處理，設(shè)定網(wǎng)格的大小為2.5 mm。

依據(jù)仿生學(xué)對冷卻風(fēng)機(jī)噪聲的影響研究，對葉片的前緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同形式的設(shè)計，采用駝背鯨鰭肢前緣凸起結(jié)構(gòu)形式對風(fēng)機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)[8]，共得到4 種不同的冷卻風(fēng)機(jī)前緣葉片結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中原模型采用直邊的結(jié)構(gòu)形式，其余三種模型為不同的波浪波長形成的前緣葉片結(jié)構(gòu)[9]，其中A 模型的波長為19 mm，B 模型的波長為9.5 mm，C 模型的波長為6.5 mm。依次建立四種不同葉片結(jié)構(gòu)的冷風(fēng)風(fēng)機(jī)分析模型，對風(fēng)機(jī)的氣動性能進(jìn)行仿真模擬。

圖2 不同前緣葉片結(jié)構(gòu)示意圖

在模型分析中選取壓力基求解器進(jìn)行求解，分析過程中對冷卻風(fēng)機(jī)內(nèi)部溫度變化進(jìn)行忽略，采用穩(wěn)態(tài)計算的RNG 湍流模型，并設(shè)定進(jìn)口區(qū)為壓力邊界，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口區(qū)為壓力邊界，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[10]，設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)作業(yè)過程中，動葉輪葉片為旋轉(zhuǎn)的壁面，其余位置為無滑移的壁面邊界。在分析過程中，首先對四種不同結(jié)構(gòu)冷卻風(fēng)機(jī)的葉片表面壓力進(jìn)行分析，并在流場充分發(fā)展穩(wěn)定后對冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行分析，由于噪聲的波長較長，對葉片相互之間及與外殼之間產(chǎn)生的反射、折射等影響作用進(jìn)行忽略。

2 變壓器冷卻風(fēng)機(jī)不同前緣結(jié)構(gòu)氣動性能的仿真分析

2.1 不同葉片前緣結(jié)構(gòu)表面壓力的分析

冷卻風(fēng)機(jī)的流場作用對啟動噪聲具有一定的影響作用，對四種模型的表面壓力分布進(jìn)行模擬，得到不同前緣結(jié)構(gòu)葉片的壓力分布如圖3 所示，同時圖3中展示了葉片前緣壓力的局部放大圖。從圖3 中可以看出，冷卻風(fēng)機(jī)的葉片并非在葉輪上進(jìn)行垂直安裝，而是具有一定的扭轉(zhuǎn)角度，從而造成了葉片的分流線與葉片前緣具有一定的角度。原始模型的最大壓力分布呈近似直線的形態(tài)，在靠近波峰的位置處存在間斷分布，使得葉片前緣的壓力差值減??；波浪形結(jié)構(gòu)的葉片前緣處的氣流較穩(wěn)定，不易產(chǎn)生渦流，使冷卻風(fēng)機(jī)具有較好的氣動性能。

圖3 不同前緣葉片表面壓力分布

在圖3 中原始模型的葉片前緣位置的壓力梯度狹小，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生較大的壓力脈動，由此引起較大的氣動噪聲作用；波浪形前緣結(jié)構(gòu)的葉片的壓力梯度分布均勻，可以改善運(yùn)行過程中的壓力梯度，減小壓力差值，且在不同的波長中，隨著波長的減小，壓力梯度的分布均勻性增加，由此可以減小產(chǎn)生的噪聲作用。

2.2 不同葉片前緣結(jié)構(gòu)噪聲的分析

在冷卻風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場經(jīng)過充分的發(fā)展后，采用聲學(xué)計算的方式對風(fēng)機(jī)的噪聲進(jìn)行統(tǒng)計，設(shè)置計算的時間為0.6 s，時間步長為0.000 1 s，將大渦流的激勵作用施加到葉片的表面上作為聲源的激勵，并在冷卻風(fēng)機(jī)上距離出風(fēng)口1 m 的位置處對噪聲進(jìn)行采集。經(jīng)過計算采集分析，得到距離出風(fēng)口1 m 監(jiān)測位置處的聲壓等級變化如圖4 所示。從圖4 中可以看出，原始模型的噪聲聲壓等級最高，其余波浪形葉片結(jié)構(gòu)的聲壓逐漸減小，相對原始模型分別減小2 dB、3.5 dB、4.5 dB。

圖4 不同前緣葉片噪聲聲壓統(tǒng)計

從圖4 中可知，波浪形葉片前緣結(jié)構(gòu)可以有效地降低冷卻風(fēng)機(jī)的噪聲，且隨著波浪形前緣結(jié)構(gòu)波長的減小，其產(chǎn)生的噪聲作用隨之減小，具有較好的降噪效果。這是由于在冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，出風(fēng)口位置的噪聲源主要集中在葉片的前緣及葉頂位置處，葉片前緣位置受到氣流的沖擊，葉頂處存在氣流的泄漏等作用會引起局部壓力的變動，產(chǎn)生較大的壓力波動，這種壓力波動作用在較小波長的前緣葉片結(jié)構(gòu)時所引起的振動作用較小，從而減小了噪聲作用。

3 結(jié)論

1）變壓器是供電系統(tǒng)中主要的變電壓設(shè)備，隨著容量及負(fù)荷得到增加，變壓器的散熱需配置相應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)，提高變壓器的散熱效率，保證使用的穩(wěn)定性。

2）冷卻風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)形式的不同對氣動性能具有重要的影響，針對所采用的直線型葉片前緣結(jié)構(gòu)，進(jìn)行波浪形前緣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，并選擇不同的波長，采用ANSYS Fluent 軟件建立了四種不同的冷卻風(fēng)機(jī)模型，進(jìn)行計算域的劃分。

3）對不同葉片前緣結(jié)構(gòu)形式的表面壓力進(jìn)行分析，結(jié)果表明，波浪形前緣葉片結(jié)構(gòu)的表面壓力相對原始模型具有一定的減小，且波長越小，表面的壓力越?。贿M(jìn)一步對不同葉片產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析表明，波浪形前緣葉片結(jié)構(gòu)可以減小噪聲作用，且波長越小，所產(chǎn)生的噪聲越小。由此，可對變壓器使用的冷卻風(fēng)機(jī)前緣葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，采用較小波長的葉片前緣結(jié)構(gòu)，改善冷卻風(fēng)機(jī)的氣動性能，提高變壓器的散熱效率。