兩異常動葉間的相位關系對軸流風機性能的影響

葉學民， 李春曦， 尹 攀， 李新穎

（華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，保定 071003）

隨著動葉可調軸流風機的廣泛應用，其安全可靠性日益突出.雖然在設計、材料、結構和工藝上已有較大改善，但引發動葉調整異常的原因仍然不少［1－2］.如動葉檢修時因碰撞使葉片產生扭曲，從而引起不平衡，而葉片平衡塊未給予及時調整；檢修安裝時因保養不良造成水及煙灰混合物進入動葉葉柄，引起動葉調節阻力增大；安裝反饋指示裝置時，因備件螺栓過長而旋得過深，導致頂緊齒輪套筒，造成齒輪套筒移動困難；動葉調節時出現固定軸承損壞或調節桿折斷，導致齒輪套筒與調節桿間不能正常固定.上述原因極易造成風機動葉調整異常，進而導致風機出現故障，嚴重時風機需停機檢修.

數值模擬技術不僅可以模擬風機的宏觀運行性能，而且可以得到試驗研究難以捕獲的風機內流特征及其細節變化［3］.目前，對軸流風機的研究多集中在風機的失速與喘振過程及其原因［2］、葉尖區和出口處的二次流［4］和不同形式軸流風機的氣動特性方面［5－7］.在噪聲方面，則主要關注軸流風機葉片非等間距周向布置時的降噪特性［8］、軸流風機的寬頻噪聲特征［9］和變工況下葉尖間隙引起的噪聲特征等［10－11］.對于動 葉 調 整 異 常 情 形，葉 學 民 等［12－13］研究了動葉安裝角異常時風機的內流特征和運行性能，結果表明：動葉安裝角的異常程度和異常葉片數目對風機性能具有顯著的負面影響.但針對兩動葉異常下的風機性能，葉學民等僅分析了動葉安裝角小角度反向偏離時兩異常葉片相位關系的影響.

然而，鑒于實際運行中動葉可調軸流風機遇到的異常工況復雜多變，動葉安裝角出現嚴重偏離的極端情形等小概率事件也時有發生［13］，且異常葉片安裝角可能同時發生正向偏離，而這方面的影響尚未見相關文獻報道.筆者以OB－84型軸流風機為研究對象，采用CFD技術對兩異常動葉處于3種相位關系且安裝角發生多種程度正向偏離時進行數值模擬，獲取風機內流和噪聲特征及運行特性，從熵產率角度分析其損失變化，探討異常葉片間相位關系的影響.

1 數值計算方法

1.1 風機本體模型

OB－84型軸流風機［14］的轉速為1 200 r/min，動葉外徑為1 500 mm，葉片數為14，采用NACA翼型葉片；導葉數為15，動葉與導葉沿周向均勻分布，風機輪轂比為0.6，葉頂間隙為5 mm.幾何模型如圖1所示，其結構包括集流區、動葉區、導葉區和擴壓器區等4部分.OB－84型軸流風機采用彎扭葉片，葉片的彎曲可控制徑向壓力分布，減小葉片壓力面與吸力面之間的壓力差，并有效降低二次流損失［14］.通過葉片彎曲造成間隙內流線曲率的變化來改變靜壓分布，從而提高風機效率.

圖1 風機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the axial flow fan

1.2 控制方程和計算網格

控制方程采用帶旋流修正的Realizable k－ε湍流模型，該模型對旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離和二次流具有很好的適用性，其計算結果與真實情況吻合良好，因此適合該風機的數值模擬［12－13］.采用Fluent軟件進行模擬，以集流器進口截面和擴壓器出口截面分別作為模擬區的進口和出口，進口邊界條件為速度進口，出口邊界條件為自由出流條件.

通過比較網格數為196萬、246萬和312萬等情形下風機的性能曲線和內流特征表明，246萬網格數在滿足計算精度（模擬范圍內全壓的平均相對誤差為1.4%）的前提下，計算量顯著減小，并可清晰顯示流動細節，因此模擬采用246萬網格.風機整體取非結構化網格，動葉區和導葉區的網格數分別為91萬和48萬，對葉頂間隙進行網格加密處理.

2 模擬結果與分析

為分析兩異常動葉處于不同相位時的風機特性，選擇兩異常動葉分別為相間單葉片、相間兩葉片和相對等3種情形進行研究.用Δβ表示動葉安裝角偏離度，Δβ＝0°即動葉處于正常狀態.針對上述3種相位，研究葉片安裝角處于正常情形、正向偏離10°、20°和30°等異常工況下的風機性能，以及動葉中間截面和出口截面上的總壓、熵產率和噪聲分布，以分析異常葉片相位不同時對風機內流特征、熵產率和噪聲的影響.

2.1 性能曲線和內流特征

2.1.1 性能曲線

異常動葉對風機宏觀性能的影響表現為全壓和效率曲線的變化，如圖2和圖3所示.由圖2和圖3可知，在不同動葉安裝角偏離度Δβ下，異常葉片間的相位關系對全壓和效率有顯著不同的影響.當Δβ＝10°時，與1號和2號葉片異常時不同，1號和3號、1號和4號葉片異常時風機性能曲線較原曲線有明顯改變；異常葉片對全壓的影響集中在小流量區（流量系數φ＜0.23時），且風機效率下降明顯；隨著流量的增加，當φ＞0.23（1號和2號葉片異常時為φ＞0.25）時，全壓均高于正常情形下，但效率下降幅度有所減緩.其原因是在小流量區，異常葉片引起的流動損失較大，而在大流量區，異常葉片引起的當地壓強增加值大于其流動損失增加值.總體上，異常葉片為1號和2號時影響最弱，而1號和3號、1號和4號葉片異常時的影響大體相當.當Δβ＝20°時，3種相位異常葉片下的風機性能顯著惡化，且1號和3號葉片異常時最為嚴重，此時風機全壓僅為1 100～1 600 Pa，效率為0.45～0.65，最高效率點向大流量側偏移.當Δβ＝30°時，風機性能進一步惡化，隨流量增加，全壓和效率基本呈現單調降低趨勢，此時1號和4號葉片異常的影響最突出.由性能曲線可知，當Δβ≥20°時，異常葉片安裝角偏離度Δβ的增大使流動損失增加，因此在所關注的整個流量范圍內，風機全壓和效率均迅速降低.

圖2 不同Δβ下異常葉片相位對全壓的影響Fig.2 Effects of phase andΔβof abnormal blades on the full pressure

圖3 不同Δβ下異常葉片相位對效率的影響Fig.3 Effects of phase andΔβof abnormal blades on the fan efficiency

風機通常運行在設計流量下，為分析該工況下異常葉片間的相位關系對性能參數的影響，表1列出了全壓和效率相對正常情形時的相對變化率.由表1可知，在相同Δβ下，隨異常葉片間隔的增加，全壓和效率的相對變化率總體呈增加趨勢，即風機全壓和效率總體降低.其原因為隨著兩異常葉片間隔的增加，總體上異常葉片對沿旋轉方向軸向下游流道內流特征的影響逐漸加劇，從而造成當地流動損失增加所致.

表1 風機全壓和效率的相對變化率Tab.1 Relative variation of full pressure and efficiency of fan %

2.1.2 總壓分布

由于葉輪出口截面受旋轉葉輪和出口導葉兩者間動、靜干涉的影響，其內流特征的變化具有顯著的代表性，故選取該截面分析設計流量、異常葉片處于不同相位時風機總壓的變化.正常時，動葉出口截面處的總壓總體呈周期性的對稱分布，徑向上總壓的高壓區集中在葉高中上部，即葉片獲得有效機械能的區域［12］.

當動葉安裝角發生正向偏離時，將改變總壓沿周向分布的對稱性，且異常葉片間的不同相位對總壓周向分布的形態也有明顯影響.圖4～圖6給出了設計流量、不同相位的異常動葉在Δβ＝10°、Δβ＝20°和Δβ＝30°時出口截面上的總壓分布.由圖4可知，當Δβ＝10°時，異常葉片的影響主要表現為局部高壓區的產生，該高壓區在一定程度上破壞了主流的流動，增強了二次流的影響，并產生了較大的流動損失.其中，異常葉片為1號和2號、1號和4號時的影響相對明顯，此時異常葉片附近流道出現大范圍的高壓區，且由于旋轉效應，1號和4號異常葉片對旋轉方向下游流道并未形成完全相同的影響；1號和3號葉片異常時的影響較弱，異常葉片間產生了低壓區.上述總壓變化與表1中所得結果一致.

圖4 不同相位Δβ＝10°時出口截面的總壓分布Fig.4 Contours of full pressure on outlet cross section at different phases andΔβ＝10°

圖5 不同相位Δβ＝20°時出口截面的總壓分布Fig.5 Contours of full pressure on outlet cross section at different phases andΔβ＝20°

圖6 不同相位Δβ＝30°時出口截面的總壓分布Fig.6 Contours of full pressure on outlet cross section at different phases andΔβ＝30°

隨著安裝角偏離度Δβ的增大，異常葉片將阻礙流體進入其所在流道，并使流體分流到相鄰流道，表現為異常葉片壓力面側的總壓較高，而吸力面側中下部出現明顯的低壓區（見圖5和圖6）.由圖5可知，當Δβ＝20°時，1號和2號葉片異常時，其主要特征為1號葉片周向下游形成細長的高壓帶，并延伸至2號葉片的頂部及周向下游區域，且在2號葉片周向下游流道底部形成低壓區；1號和3號葉片異常時，在兩異常葉片間的中下部形成范圍很大的低壓區，造成風機全壓較低，尤其是效率明顯降低，此特征與表1中所得結果一致；1號和4號葉片異常時也形成明顯的低壓區，但與1號和3號葉片異常時的影響相比，雖然低壓區范圍大體相當，但總壓卻有所提高，故其影響程度低于1號和3號葉片異常時.當Δβ＝30°時，風機性能進一步惡化，表現為1號和2號葉片異常時，在兩異常葉片周向下游流道底部均形成低壓區；1號和3號葉片異常時，低壓區擴展至大部分流道；1號和4號葉片異常時總壓大體呈對稱分布，其低壓區沿旋轉方向從葉根擴展至葉頂，受影響的流道區域超過總流道的一半，因此造成風機全壓和效率顯著降低.

比較圖4～圖6可知，當異常葉片相位間隔較近時，如1號和2號、1號和3號葉片異常情形，1號葉片產生的影響波及旋轉方向下游的流道，甚至包括2號和3號葉片，此時兩異常葉片對內流特征的影響將產生不同程度的耦合，并且隨著Δβ增大，其影響程度有所擴大.而當異常葉片相位間隔較遠時，如1號和4號葉片，1號異常葉片的影響僅限于周向下游的多個流道，且不會延伸至4號葉片附近.

2.1.3 熵產率分布

風機內熵產包括黏性耗散引起的熵產SVD和湍流耗散引起的熵產STD［15－17］，其 對 應 的 單 位 體 積 的當地熵產率分別為sVD和sTD.熵產率可以反映流動過程中因黏性耗散和湍流耗散導致的能量損失，故可以通過熵產率的變化來分析葉片異常對流動損失的影響.取動葉中間截面處的熵產率分布作為其平均變化特征進行研究，在設計流量下且安裝角正常時，該截面上的熵產率分布具有較好的周向對稱性［16］，且95%以上區域的熵產率均較小，只有在葉片頂部極小區域出現稍大的熵產率區，這與葉頂存在的泄漏損失有關［4，12］.

圖7～圖9給出了設計流量下、異常葉片處于不同相位時的熵產率分布.與正常情形下中間截面上的熵產率分布相比，當Δβ＝10°時熵產率變化較小，僅在異常葉片周向下游的很小區域內有微小增大，因此風機的全壓和效率降低較小.當Δβ＝20°時，不僅熵產率數值總體明顯增大，且影響范圍擴展至周向下游多個流道，即流動損失增加，這與圖3（b）風機效率大幅度降低的結果吻合.其中，異常葉片為1號和3號時的影響范圍最大，而其他2種情形下的高熵產率區主要集中在葉頂附近，表明在Δβ＝20°下，兩異常葉片間隔較小時產生的相互作用和影響較大.當Δβ＝30°時，高熵產率區的影響范圍進一步擴大，數值進一步增大.1號和2號、1號和3號葉片異常時，高熵產率區位于兩異常葉片間的大部分區域以及2號和3號異常葉片的周向下游流道；1號和4號葉片異常時形成的高熵產率區位于相鄰流道的整個區域和周向下游流道的中上部區域，且這兩部分高熵產率區之間無相互影響.

2.2 噪聲特征

異常葉片的影響不僅反映在風機運行性能和內流特征上，而且也反映在噪聲的明顯變化上.圖10給出了采用Realizable k－ε湍流模型計算得到的不同情形下的最大聲源功率級Lwmax.由圖10可以看出，當Δβ＝10°時，異常葉片的影響使小流量區的Lwmax明顯增大，其中1號和3號葉片異常時Lwmax最大，而1號和4號葉片異常時的Lwmax在φ＝0.24和φ＝0.2 7下則明顯減小；當Δβ＝2 0°時，在φ＝0.20～0.26內，不同相位異常葉片下的Lwmax整體顯著增大，并保持在約132 dB高噪聲等級，此時1號和4號葉片異常時的影響相對較大；當Δβ＝30°時，在φ＜0.25內，Lwmax增大更為明顯，與正常情形下相比，異常葉片為1號和2號時Lwmax變化最大，而異常葉片為1號和3號時在整個流量范圍內Lwmax變化不大，但Lwmax約為132 d B.

圖7 不同相位Δβ＝10°時流道內的熵產率分布Fig.7 Contours of entropy generation rate in flow passage at different phases andΔβ＝10°

圖8 不同相位Δβ＝20°時流道內的熵產率分布Fig.8 Contours of entropy generation rate in flow passage at different phases andΔβ＝20°

圖9 不同相位Δβ＝30°時流道內的熵產率分布Fig.9 Contours of entropy generation rate in flow passage at different phases andΔβ＝30°

圖10 噪聲的數值預估Fig.10 Numerical prediction of noise

受葉輪旋轉影響，各流道內的氣流具有非均勻性，當該氣流周期性作用于周圍介質時，將產生壓力脈動進而增大噪聲.在設計流量下，葉輪中間截面上的聲源功率級呈周期性對稱分布，相鄰葉片流道中部附近存在1個顯著的低噪聲區，受氣體與葉片的相互作用以及葉片表面上邊界層的分離作用，葉片表面附近的噪聲高于相鄰葉片流道間的噪聲，最大噪聲源位于葉頂間隙處的狹小區域，這與葉頂泄漏損失有關［4］.

異常葉片導致的內流特征變化不僅反映在總壓上，而且氣流紊亂后易造成二次流、壓力脈動和邊界層分離等現象，進而引起聲源功率級增大.受異常葉片相位和安裝角偏離度的影響，動葉中間截面上的聲源功率級分布具有與總壓分布和熵產率分布類似的變化特征，如圖11～圖13所示.由圖11～圖13可以看出，當Δβ＝10°時，僅在異常葉片周向下游形成范圍較小的高噪聲區；當Δβ＝20°時，高噪聲區演化成覆蓋更多流道、靠近葉頂的高噪聲帶，且高噪聲帶附近的聲源功率級也明顯增大，因此風機噪聲將顯著提高，另外，1號和3號葉片異常時的影響最顯著，這與圖10（b）中的結果相符；當Δβ＝30°時，高噪聲帶范圍進一步擴大，且1號和4號葉片異常時的影響區域相對較大，使得該相位下的噪聲等級相對較高.

圖11 不同相位Δβ＝10°時流道內的聲源功率級分布Fig.11 Contours of acoustic source power level in flow passage at different phases andΔβ＝10°

圖12 不同相位Δβ＝20°時流道內的聲源功率級分布Fig.12 Contours of acoustic source power level in flow passage at different phases andΔβ＝20°

圖13 不同相位Δβ＝30°時流道內的聲源功率級分布Fig.13 Contours of acoustic source power level in flow passage at different phases andΔβ＝30°

3 結 論

（1）當動葉安裝角異常時，其對應的全壓和效率大多低于正常情形下，尤其是發生大角度偏離時.在小流量區，風機性能的惡化程度較大；而在大流量區，由于異常葉片引起的當地壓強增加值大于流動損失增加值，其全壓和效率下降幅度明顯減小.

（2）在相同安裝角偏離度下，隨著異常葉片間隔的增加，全壓和效率總體呈降低趨勢，異常葉片的相位關系對全壓、效率和最大聲源功率級的影響程度不同，當兩異常葉片處于1號和4號相位時，風機的整體性能最差.

（3）當異常葉片安裝角偏離度和相位不同時，對葉輪周向總壓和熵產率分布的均勻性產生不同程度的擾亂.1號和2號、1號和3號葉片異常時，紊亂區位于兩異常葉片間的大部分區域以及2號和3號異常葉片的周向下游流道；而1號和4號葉片異常時，紊亂區位于相鄰流道的整個區域和周向下游流道的中上部區域，且無相互影響.

（4）異常動葉安裝角偏離度和相位關系對風機噪聲的影響程度不同.當Δβ＝10°時，僅異常葉片附近產生高噪聲區；當Δβ＝20°時，1號和3號葉片異常對高噪聲區的影響最為顯著；當Δβ＝30°時，1號和4號葉片發生異常的影響區域相對較大.而且當Δβ＝20°和Δβ＝30°時，高噪聲區演變成覆蓋多個流道的帶狀區，從而使風機運行性能顯著惡化.

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