電站軸流風機動葉異常偏轉及失速狀態下的葉輪應力特性分析

茍慧智，王 信，張 磊

(1.中國國電集團公司，北京 100034；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

2017-06-02

茍慧智(1980-)，男，高級工程師，主要從事發電企業管理與經濟運行研究工作 。

電站軸流風機動葉異常偏轉及失速狀態下的葉輪應力特性分析

茍慧智1，王 信2，張 磊2

(1.中國國電集團公司，北京 100034；2.華北電力大學，河北 保定 071003)

基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，采用數值計算方法模擬了某電站軸流風機相鄰兩動葉+9°異常偏轉及失速工況下葉輪內部的非定常流場特征，并研究了動葉異常偏轉及失速工況下的葉輪應力特性，研究結果表明，失速發生后，葉輪流道內產生一個大約占據一半流道的完整失速團；+9°異常偏轉葉片能夠減弱失速團帶來的氣動載荷擾動，但最大等效應力值增加幅度較大，降低了葉輪的安全系數；旋轉失速發生后，正常葉輪和異常葉輪的最大等效應力均小于屈服強度，未達到屈服狀態。

軸流風機；數值模擬；流固耦合；應力特性

1 概述

軸流風機是電站常用的軸流增壓式葉輪機械，是電廠的重要設備之一，其中動葉可調式軸流風機因其變工況調節效率高、運行穩定、容量大等優點得到了廣泛的應用。電廠運行工況的復雜性和多變性經常導致風機出現諸多問題，其中風機在大流量工況調整動葉安裝角的過程中，經常會發生一個或多個安裝角的漂移，導致動葉調整不同步，從而影響了軸流風機的性能和效率[1-2]。運行實踐表明，動葉角度的異常偏轉會不同程度的影響風機的失速特性，而風機在失速狀態下長期運行會導致葉片出現裂紋、磨損甚至斷裂[3-4]。因此對動葉異常偏轉風機進行失速工況下的強度分析具有重要意義。

旋轉失速作為風機運行過程中常見的失穩現象，已成為當前研究的重要課題。目前旋轉失速的研究主要分為模型研究、實驗研究和數值研究。目前國內外學者在旋轉失速的研究過程中主要用到2個模型，第1個是在1955年Emmons提出的，該模型指出失速是由一個或幾個葉片首先發生氣流分離產生的；第2個是Moore等人，在Emmons的基礎上建立了一套相對完善的壓縮系統穩定性模型，并成功預測了壓氣機的氣動特性和失速周向傳播之間的關系。在實驗研究方面，Bullock和Finger等人對壓縮機系統的喘振現象進行了詳細的實驗測量，記錄了流道中的不穩定流。Huppert和Benser等人重點研究了壓縮機部分失速和全周失速的區別，并預測了失速裕度。在數值模擬方面，Saxer-Felici等人通過CFD模擬了失速狀態下的流動特性和失速團的大小及速度。鞠鵬飛用數值模擬的方法研究了跨聲速壓氣機近失速的流動特征[5]。石嵩通過全通道數值模擬，研究了軸流壓氣機失速起始的動態過程[6]。針對動葉角度異常風機，李春曦等人研究了變工況下動葉安裝角異常對軸流風機的氣動及噪聲影響[7]。葉學民等人研究了動葉安裝角反向異常對風機的脈動特性[8]。

隨著計算流體力學、計算結構力學和有限元分析的不斷完善和計算機技術的快速發展，流固耦合也取得了長足進步。流固耦合是研究流體與固體之間的相互作用，包括固體在流場下的各種行為以及固體應變對流場的影響。Madenci和Curtiss等人對機翼的氣動彈性進行了研究，并結合氣固耦合分析了振動特性。Dehaeze. F通過CFD和結構耦合，模擬了直升機槳葉在懸停狀態下的氣動特性。毛軍應用弱耦合方法對風機葉片進行流固耦合特性分析，在流固耦合中葉片彈性變形是不可以忽略的[9]。

旋轉失速下的風機氣動不穩定性發生改變，其流固耦合特性也隨之改變。目前針對風機流固耦合的研究主要集中在設計工況，針對風機異常角度偏轉的研究主要集中在性能和噪聲等方面，失速工況下的葉輪靜力分析研究較少，且還未見動葉角度異常風機失速狀態下的應力分析。因此以下以某電廠兩級動葉可調式軸流風機為研究對象，基于節流閥模型，采用Fluent軟件對正常風機與動葉異常風機進行失速模擬，并將流場計算結果在Workbench平臺中進行單項耦合分析，研究了不同異常偏轉角度風機在失速狀態下的葉輪應力特性。

2 數學模型

2.1 計算模型和網格劃分

如圖1所示為基于某電廠一次引風機建立的三維模型，其主要結構包括入口集流器、一級動葉輪、一級靜葉輪、二級動葉輪、二級靜葉輪和出口擴散筒六部分，具體結構參數見表1。以下分別對第二級動葉輪中兩相鄰動葉異常偏轉風機及正常風機進行數值模擬，動葉異常偏轉風機的偏轉角度設定為+9°，異常偏轉葉片位置如圖2所示，以葉片逆時針偏轉為正，即Δβy>0°，反之為負。設置入口邊界條件為壓力入口，0 MPa。出口邊界條件為壓力出口，通過加載節流閥模型來控制出口靜壓值。葉片材料為ZL101，其主要力學性能見表2。

圖1 兩級軸流風機幾何模型

表1 軸流風機主要結構參數

參數輪轂比轉速/(r·min-1)動葉片數目導葉數目數值0.66814902×242×23

圖2 動葉異常偏轉角示意

表2 葉輪材料力學性能參數

名稱密度/(kg·m-3)彈性模量泊松比屈服強度/MPaZL10126606.9×10100.31180

采用Gambit軟件對計算流域進行網格劃分，對入口段、兩級動、靜葉和出口段分段劃分，通過設置Interface進行數據傳遞。考慮到葉輪內部三維流場的復雜性，因此在動葉表面附近加邊界層網格，采用尺寸函數對葉片前后緣和葉頂間隙等部位進行局部網格加密，網格數量為694萬。采用Ansys自帶網格對固體葉輪進行網格劃分，網格單元為帶中間節點的四面體單元Solid187，單元大小設置為15 mm，節點數約為49萬，單元數約為31萬。

2.2 數值計算

數值模擬控制方程包括連續性方程、N-S方程和Realizable k-ε方程。為了滿足計算的精度要求，同時考慮到節約計算資源，以下選取雙方程湍流模型進行數值模擬。采用有限體積法離散，其中對流項和擴散上采用二階迎風差分格式。湍流模型采用Realizable k-ε模型，可以較好的反應旋轉流動、流動分析及二次流等現象。

風機集流器入口設定為壓力入口，0 MPa，擴壓器出口設定為壓力出口。穩態計算時給定出口壓力，非穩態計算時出口加載節流閥模型，采用編譯的UDF程序進行迭代，迭代步長為0.000 839 s。穩態計算時，動葉輪區域采用MRF模型，非穩態計算時采用滑移網格模型，轉速設置為1 490 r/min。模擬過程中首先逐步提高出口壓力，得到穩態條件下最大背壓的收斂解，然后基于穩態結果進行非穩態計算，逐漸減小節流閥開度，直至風機進入失速。

3 計算結果與分析

圖3為僅加載氣動力載荷時失速工況下葉輪的等效應力分布云圖。正常葉輪的應力分布集中明顯，主要集中在壓力面前緣和吸力面50%葉高附近，最大應力值為8.51 MPa，這是由于失速工況下形成了一個穩定的失速團，加劇了流道內流體的擾動。遠離失速團流道的其他葉片應力集中消失，葉頂低應力區擴大到70%葉高附近。+9°異常葉輪在失速團位置應力分布與正常葉輪大致相似，最大應力值為7.93 MPa，異常葉片壓力面前緣和吸力面中間部位出現應力集中，這說明相鄰+9°異常葉片雖然減小了失速團對葉輪的影響，降低了最大應力值，但加劇了異常葉片本身的應力集中。

(a) 正常葉輪吸力面 (b) 正常葉輪壓力面

(c) +9°葉輪吸力面 (d) +9°葉輪壓力面 圖3 僅加載氣動力時的應力分布

圖4為失速工況下同時加載氣動力和離心力載荷時葉輪的等效應力分布。正常葉輪的最大應力值增加到34.50 MPa，但葉輪周向不均勻性降低，這是因為離心力載荷方向是徑向發展，而氣動力載荷是垂直于葉片表面，兩者相互垂直導致葉片應力分布發生改變。失速團所在葉片存在較大范圍高應力區，遠離失速團的葉片應力集中減弱。+9°葉輪在失速后隨著失速團的發展最大應力值不斷提到，最終穩定到55.93 MPa，較正常葉輪增加了62.1%，葉頂低應力區擴大，在吸力面前緣和壓力面的葉根處存在小范圍的高應力區。

(a) 正常葉輪吸力面 (b) 正常葉輪壓力面

(c) +9°葉輪吸力面 (d) +9°葉輪壓力面 圖4 加載氣動力和離心力時的應力分布

以上研究的葉輪材料為ZL101，采用第四強度理論對風機葉輪進行強度校核分析。根據表材料的力學性能，材料的屈服極限為180 MPa，一般彈性結構在靜力分析時安全系數控制在1.5～2，取安全系數為2。根據許用應力的計算公式得到材料的許用應力為90 MPa。對比正常葉輪和+9°異常葉輪的靜力分析結果， 發現其最大等效應力在失速工況下均遠小于許用應力，靜強度符合要求。

4 結論

a. 對葉輪進行流固耦合分析得出，失速工況下，僅加載氣動力載荷時，+9°葉輪的最大應力值與正常葉輪相比均有所降低，說明+9°異常偏轉葉片能夠減弱失速團帶來的氣動載荷擾動，但會在異常葉片位置出現應力集中。

b. 失速工況下，同時加載氣動力和離心力載荷時，與僅加載氣動力載荷相比，最大等效應力值顯著提高，說明葉輪上的應力分布主要受離心力載荷影響。+9°葉輪最大等效應力值的增加幅度遠大于正常葉輪，說明+9°異常葉片降低了葉輪的安全系數。

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[7] 李春曦,尹 攀,葉學民.單動葉安裝角深度異常對軸流風機性能及噪聲影響的數值模擬[J].中國電機工程學報,2012, 32(35):122-129.

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Static Characteristics Analysis of Rotor with Abnormal Blade Angle in Axial Fan Under Stall Conditions

Gou Huizhi1,Wang Xin2,Zhang Lei2

(1.China Guodian Corporation, Beijing 100034,China;2. North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Based on N-S equation and Realizable k-turbulence model,using the numerical method to study the unsteady flow characteristics in the impeller of an axial fan under two +9 degrees blade deflection in stall condition.And give a research on impeller stress characteristics under moving blades abnormal deflection and stall conditions.The results show that there is a complete stall cell which taken up about half of the impeller channel after stall.The +9 degrees abnormal deflection blade can attenuate aerodynamic load disturbance caused by stall cluster,while reducing the safety factor of the impeller by increasing the maximum equivalent stress.The maximum equivalent stress of normal impeller and abnormal impeller is less than yield strength after rotating stall.

axial fan;numerical simulation;fluid solid coupling;dress characteristic

TM621

B

1001-9898(2017)05-0015-03

本文責任編輯：楊秀敏