兩級動葉可調式軸流風機前后級異常葉片干涉現象的研究

封 遙， 董云山， 司風琪， 白德龍， 解冠宇

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 內蒙古岱海發電有限責任公司， 內蒙古烏蘭察布 012000)

研究與分析

兩級動葉可調式軸流風機前后級異常葉片干涉現象的研究

封 遙1， 董云山1， 司風琪1， 白德龍2， 解冠宇2

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 內蒙古岱海發電有限責任公司， 內蒙古烏蘭察布 012000)

針對某電廠SAF 36-25-2兩級動葉可調式軸流引風機，借助Fluent研究了引風機前后級動葉片發生不同角度異常偏離時，風機性能參數的變化規律及前后兩級異常葉片的相互干涉關系。研究結果表明：第二級異常葉片偏離角度Δβ2=+8°時風機整體性能要優于Δβ2=-8°時風機性能；保持Δβ2不變，隨著第一級異常葉片偏離角度Δβ1從-12°增加到+12°，風機整體性能呈現先增大后減小的變化趨勢，且在Δβ1=-12°時風機全壓和效率在全流量范圍內惡化最為明顯，異常葉片對風機性能影響最大，而Δβ1=+8°時異常葉片對風機性能影響最小；第一級異常葉片對第二級葉輪性能的干涉影響隨異常葉片偏離程度的增大而增強。

軸流引風機； 動葉； 安裝角； 性能特征

風機作為電廠中重要的輔機設備之一，主要應用于制粉系統、燃燒系統、風煙系統及儀器輔用等方面，其可靠性對電廠運行的安全性和經濟性有著重要的影響。隨著火電機組單機容量的不斷提高，實際工程中越來越多地用到了動葉可調式軸流風機，其具有調節范圍廣、變工況性能好、能源利用率高等眾多優點。但是，動葉可調式軸流風機在實際運行過程中，動葉片常常會因為加工安裝不規范、滑塊磨損、葉柄積灰等問題造成風機葉片卡澀，在動葉調整過程中出現一個或多個葉片安裝角異常偏離，造成風機性能下降、不穩定工作區增大，稍有擾動甚至會引發風機的喘振和搶風[1-4]。因此，國內外研究學者圍繞軸流風機的葉片斷裂、風機振動、失速喘振及內流特征、噪聲等方面開展了較多的研究[5-10]。

由于火電機組動葉可調式軸流風機體積龐大，難以采用試驗的方法進行風機的性能研究，因而越來越多的學者采用CFD數值模擬方法來研究風機的性能特征及內部流動特征。針對單級軸流風機，黃超[11]針對某火電廠脫硫增壓風機，模擬研究了不同轉速及安裝角的風機性能及流動特性。李春曦等[12]應用Fluent軟件模擬了OB-84型單級動葉可調軸流風機的流動特性，分析了單動葉安裝角異常時的風機內流特征、熵產特性及噪聲特性等。葉學民等[13-14]對異常葉片的偏離角度及周向分布情況進行了研究，分析了相鄰和相間兩動葉、相鄰三動葉安裝角異常下的風機內流特征和運行特性。對于兩級動葉可調軸流風機的性能特征及動葉異常現象也逐漸引起了研究者們的重視，葉學民等[15]也對某600 MW機組配套的兩級動葉可調軸流一次風機進行了全三維定常數值模擬，研究了前后級同相單葉片發生相同角度異常偏離時的風機性能變化。實際運行時，兩級動葉可調軸流風機前后級動葉片也會發生異常偏離，前后級異常葉片相互影響進而產生干涉現象[16]，對于該異常現象的影響關系及影響機理還需要進行更深入的研究。筆者采用CFD數值模擬方法對兩級動葉可調軸流風機進行全三維數值模擬，通過改變前后級單個異常動葉片的偏離角度，研究前后級單個異常動葉的干涉問題，分析前后級異常葉片分別發生不同角度異常偏離時風機相關性能參數及內流特征的變化規律，為兩級動葉可調軸流風機的運行及設計提供參考依據。

1 物理模型及數值求解方法

1.1物理模型

以SAF36-25-2兩級動葉可調式軸流引風機為研究對象，其結構見圖1。

圖1 SAF36-25-2 軸流引風機結構示意圖

引風機從進口到出口依次為：集流器、第一級動葉、第一級導葉、第二級動葉、第二級導葉、擴壓器。葉輪直徑為3 600 mm，輪轂比為0.698，第一級、第二級動葉的動葉片數均為20，采用相同的扭曲機翼型葉片，第一、二級導葉的葉片數為23，第一級導葉采用長短相間布置的等厚圓弧板型葉片，第二級導葉采用相同均勻布置的等厚圓弧板型葉片。風機工作轉速為745 r/min，旋轉方向為逆時針(從進口方向看)，動葉安裝角的調節范圍為-35°～ +15°，對應開度從0%～100%調整。

1.2數值計算方法

根據風機的結構特點，建立軸流風機的全通道計算模型，將模型劃分為集流區，前、后級動葉區，前、后級導葉區和擴壓區六個計算區域，采用ICEM與TurboGrid軟件結合的方式對各區域采用六面體結構性網格進行劃分，對葉輪中流動梯度較大或曲率變化較大的區域進行局部網格加密(見圖2)。

圖2 葉片局部網格加密

模型將整個流道內流場視為不可壓穩態黏性湍流流動，采用三維、定常、不可壓縮的雷諾時均N-S方程組進行封閉，并采用SIMPLEC算法求解方程組。由于葉輪區存在旋轉的動葉區和靜止的導葉區，于是采用多參考坐標系模型對旋轉區域和靜止區域進行耦合，不同子域的交界面

上采用Interface進行信息的傳遞。將集流器進口作為風機進口，擴壓器出口作為風機出口，分別采用速度進口、自由出流的邊界條件，湍流模型采用旋轉機械普遍適用的Realizablek-ε二方程模型，壁面采用標準壁面函數，近壁面采用無滑移邊界條件。當計算殘差達到10-4，且流場中監測點對應參數變化小于3%時，認定計算收斂。

筆者為研究前后級異常動葉的干涉現象，通過改變第一級異常葉片安裝角度，分析第一級異常葉片對第二級葉輪性能及流場的影響。考慮到第二級異常葉片正反向偏離對風機性能影響的差異性，筆者將分別研究第二級異常動葉正反偏離兩種情況下，第一級異常葉片對后級異常葉片的干涉問題，即Δβ2=±8°時，Δβ1=-12°～+12°對應的前后級異常葉片的干涉問題，具體變量選取見表1，其中Δβi表示第i級異常葉片的偏離角度。

表1 異常動葉片偏離角度值

圖3為異常葉片偏離示意圖，規定從葉頂向葉根看去，繞葉片旋轉軸順時針方向為反向偏離(Δβ<0)，逆時針方向為正向偏離(Δβ>0)。

圖3 異常葉片示意圖

1.3網格無關性驗證

為保證數值計算的可靠性，筆者對所選模型進行了網格無關性的驗證，分別選取了5.3×106、5.7× 106、6.3×106、6.8×106網格數量進行計算，同時選取風機全壓作為衡量值，隨網格數增大的計算結果見圖4。

由圖4可以看出：在設計工況下(對應體積流量為505 m3/s，開度為0°)計算獲得的風機全壓隨著網格數目的增加呈現先增大后趨向平緩的趨勢，當網格數超過6.3×106時計算結果變化很小；網格數為6.3×106時模型計算出的全壓和效率與實際值的平均相對誤差分別為5.7%和6.9%，說明此時風機的數值計算精度滿足計算要求且受計算網格數量的影響比較小。同時考慮時間成本，筆者采用總計算網格數為6.3×106的模型，其中動葉區和導葉區的網格數分別約為2.9×106和2.2×106，對于集流器和擴壓器等區域設置網格較為稀疏，以減少計算量。

圖4 計算網格數對引風機全壓的影響

2 結果分析

2.1外特性曲線分析

圖5和圖6分別是第二級異常葉片偏離角度為+8°和-8°條件下，第一級異常葉片發生不同偏離角度時風機的外特性曲線。

圖5 Δβ2=-8°，不同Δβ1對應的風機外特性曲線

圖6 Δβ2=+8°，不同Δβ1對應的風機外特性曲線

對比圖5和圖6可知：Δβ2正向偏離時，風機整體性能要優于反向偏離時風機的性能。Δβ1=±8°時，全壓和效率隨體積流量的變化趨勢和正常情況基本一致，其中Δβ1=+8°對風機性能的影響最小，甚至在某些體積流量范圍內的全壓和效率要大于正常情況，這是因為葉片的異常偏離既會影響全壓大小也會因為擾動流場造成流動損失，而單動葉安裝角較小角度的正向偏離造成的流動損失要小于全壓增加值。隨著異常葉片偏離程度的增大，前后級異常葉片的干涉作用逐漸加強，造成風機全壓和效率出現大幅度降低，在較小體積流量區域內干涉情況尤為明顯，從而造成風機全壓隨體積流量的增加呈現先增大后減小的駝峰形曲線，使風機很容易進入失速狀態。

圖5表明：當Δβ2=-8°時，風機的全壓和效率整體均低于正常情況，且隨著異常葉片偏離程度的增大，風機性能出現明顯的惡化，全壓和效率出現大幅度的下降；當Δβ1=±12°時全壓和效率隨體積流量的增加呈現先增大后減小的駝峰形變化趨勢。此外，Δβ1=+12°相較于Δβ1=-12°，失速點對應的體積流量更大，表明風機對應的不穩定工況區更大，風機更加容易發生失速故障；但是當Δβ1=-12°時，異常葉片在全體積流量范圍內對風機性能的影響最大，如Δβ1分別等于-12°、-8°、0°、+8°、+12°時，對應的全壓在全體積流量范圍的平均降低比例分別為15.62%、6.40%、4.03%、4.67%、13.31%，效率分別平均降低12.14%、4.63%、3.12%、3.94%、11.05%。由此表明：Δβ2=-8°情況下，Δβ1=+8°時對整機整體性能影響較小，Δβ1=-12°時影響較大。

Δβ2=+8°時，異常葉片對風機性能的影響與Δβ2=-8°時風機性能的變化相似(見圖6)，隨著Δβ1從-12°增大到+12°，風機全壓和效率的變化整體呈現先增大后減小的趨勢，且在大體積流量工況下變化趨勢和正常情況基本一致，但是Δβ2=+8°對應的風機性能要明顯優于Δβ2=-8°時。此外，Δβ2=+8°時風機的外特性曲線變化還呈現如下特征：(1)Δβ1=+8°全壓和效率基本和正常情況保持一致，甚至在部分體積流量范圍內，全壓高于正常情況；(2)相同偏離程度下，Δβ1<0°時風機性能明顯比Δβ1>0時的風機性能差，以設計體積流量505 m3/s為例，在Δβ1-12°～+12°內，風機全壓較正常情況下變化情況分別為-9.84%、-6.22%、+0.68%、-4.19%，效率的變化情況分別為-7.93%、-5.34%、-0.48%、-4.84%。

2.2第二級葉輪特性曲線分析

為探討兩級葉片同時出現異常偏離時第一級異常葉片對第二級葉輪性能的干涉影響，對下列各情況下第二級葉輪的全壓及效率隨體積流量的變化情況進行分析(見圖7)。

圖7 Δβ2=-8°，不同Δβ1對應的第二級葉輪特性曲線

當第二級葉輪異常葉片偏離角度保持不變時(Δβ2=-8°)，第二級葉輪的全壓及效率的特性曲線受到第一級葉輪異常葉片偏離角度的影響出現一定程度的變化。

當Δβ1=±8°時，第二級葉輪的全壓及效率變化趨勢和正常情況基本相同，第一級葉輪的異常葉片對第二級葉輪性能的影響比較小；當Δβ1=±12°時，第二級葉輪的全壓及效率隨體積流量的增加呈現先增大后減小的駝峰形變化趨勢，且Δβ1=+12°與-12°對應的第二級動葉輪的特性曲線存在交點，當體積流量小于交點所對應的體積流量時，Δβ1=-12°時第二級葉輪全壓及效率要大于Δβ1=+12°時，當體積流量大于交點對應的體積流量時，情況與之相反。此外Δβ1=-12°，各體積流量范圍內全壓和效率都出現了一定程度的降低，而Δβ1=+12°時，第二級葉輪的全壓僅在小于一定流量時出現明顯的降低，且降低幅度較大。

圖8為第二級異常葉片偏離角度為+8°時，第一級葉輪異常葉片偏離不同角度時對第二級葉輪做功能力的影響。

圖8 Δβ2=+8°，不同Δβ1對應的第二級葉輪外特性曲線

當Δβ1=+8°時第二級葉輪的測試體積流量范圍內全壓及效率和Δβ1=0°時基本一致，甚至在某些體積流量范圍內高于第一級葉片正常的情況。與圖7有所不同的是當Δβ1=-8°時，葉輪全壓和效率出現較為明顯的降低，且隨著異常葉片偏離程度的增大，葉輪性能逐漸惡化，當Δβ1=+12°時，全壓呈現明顯的駝峰形曲線。

對比分析圖7和圖8可知：Δβ2=-8°情況下，第一級葉輪同相異常葉片發生較小角度異常偏離時(Δβ1=±8°)，第一級異常葉片對第二級葉輪的干涉影響很小，幾乎可以忽略不計，而較大角度異常偏離時(Δβ1=±12°)，第二級葉輪的性能受到第一級異常葉片的干涉影響出現較大幅度變化；而當Δβ2=+8°時，第一級異常葉片偏離角度對第二級葉輪性能影響相對比較明顯，除Δβ1=+8°以外，其他異常偏離角度都會使第二級葉輪的做功能力降低，全壓和效率出現明顯的降低。隨著第一級異常動葉偏離程度的增大，第二級動葉輪全壓和效率都出現明顯的駝峰形曲線，且Δβ=+12°對應的不穩定工況區要比Δβ=-12°時更大，運行過程中第二級葉輪更容易進入失速狀態，說明此時第一級異常葉片對第二級葉輪性能的干涉影響更大。

2.3導葉效率

動葉安裝角異常不僅會對葉輪自身的做功能力產生影響，其引起的流場變化對導葉的擴壓能力也會產生重要影響。第二級葉輪葉片安裝角發生一定角度異常情況下，第一級同相葉片發生不同角度異常偏離時對第一級導葉性能的影響見圖9(實線和虛線分別表示第二級異常葉片反向偏離-8°及正向偏離+8°時第一級導葉的效率變化情況)。

圖9 Δβ2=±8°，不同Δβ1對應的第一級導葉效率變化曲線

從圖9可以看出：當兩級動葉同時發生安裝角異常偏離時，第二級異常葉片正反偏離對第一級導葉的導葉效率有著不同的影響。Δβ2=+8°時第一級導葉的導葉效率要整體大于Δβ2=-8°時，說明第二級葉輪異常葉片對前一級導葉的性能也有一定的干涉影響。Δβ2不變情況下，當Δβ1=+8°時，導葉效率受第一級異常葉片的影響比較小，這與第二級葉輪性能的變化情況相類似，說明第一級異常葉片正向偏離+8°時，第一級異常葉片對后面各級導葉及動葉的干涉影響都比較小。當Δβ1=±12°時，第一級異常葉片對后續導葉的擴壓性能產生較大影響，導葉效率隨體積流量的變化呈現先增大后減小的趨勢，但是與風機整體性能變化又有些不同的是，當Δβ1=+12°時，在大部分體積流量范圍內，導葉效率較正常情況有很大提高，尤其是當Δβ2=+8°時導葉效率在全體積流量范圍內都比較高，而Δβ1=-12°時第一級導葉的擴壓能力出現嚴重的惡化，導葉效率出現大幅度的降低。

2.4風機內部流場分析

葉輪內部流場是反映風機性能的最直觀因素，為進一步探討前后級異常葉片的干涉情況，圖10～圖12分別給出了設計工況葉片正常、第二級單動葉異常及兩級葉輪同相單葉片同時異常偏離情況下0.5葉高截面處流線圖(圖中旋轉部分速度為相對速度，靜止部分速度為絕對速度)。

圖10 葉輪正常及第二級單葉片正反小角度異常偏離時0.50葉高處葉輪截面流線圖

圖11 Δβ2=-8°時0.50葉高處葉輪截面流線圖

圖12 Δβ2=+8°時0.50葉高處葉輪截面流線圖

從圖10可以看出：風機正常運行時，葉輪內部流場分布相對比較均勻，當第二級發生單葉片正反較小角度異常偏離時(Δβ2=±8°)，異常葉片對前級導葉的影響相對比較小，僅在導葉尾緣出現較小尾渦。對比圖11和圖12可知：當前后兩級同相葉片都發生一定角度異常偏離時，第二級異常葉片的偏離方向對葉輪內部流場的影響則有所不同。Δβ2=+8°時葉輪流道內因異常葉片造成的漩渦區要比Δβ2=-8°時小，說明第二級異常葉片發生正向偏離時風機性能要優于反向偏離時風機性能。由圖11(c)與圖12(c)可以看出：當第一級異常葉片發生較小角度異常偏離時，葉片尾緣形成尾渦，隨著流體的流動帶入到導葉中，經導葉對尾渦的整流，尾渦消失，流線在周向上變得均勻，進入到第二級葉輪的流體受第一級異常葉片的影響較小，即第一級異常葉片對第二級葉輪的干涉影響相對較小。而當第一級葉片發生較大角度異常偏離時，異常葉片使第一級導葉流道內產生較大漩渦，阻塞流體流動，導葉雖在一定程度上減小了前后級異常葉片的干涉，但是第二級葉輪流道內流場的均勻性依然受到第一級異常葉片的影響而被破壞。此外Δβ1=+12°異常葉片對流場的影響要比Δβ1=-12°時的影響大。

綜合對比圖10、圖11、圖12可以看出：第二級葉輪葉片異常偏離時不僅對本級葉輪內流場產生影響，對上級葉輪內流場也會產生一定干涉影響，第二級葉輪異常葉片發生較小角度的正向偏離時異常葉片對流場的干涉影響要小于反向偏離時。當第一級葉輪葉片發生異常偏離時，異常葉片會破壞第二級葉輪流道內流場的均勻性，使流道內產生漩渦阻塞流道，從而破壞進入第二級葉輪流場的均勻性，使第二級葉輪流道內也很容易發生漩渦阻塞流道造成風機性能大幅下降。另外，前后級異常葉片之間的導葉在一定程度上減小了異常葉片的干涉，但隨著異常葉片偏離程度的增大，第二級葉輪受第一級異常葉片的干涉影響則逐漸增大。

3 結語

筆者采用數值模擬的方法在前后級動葉輪單葉片發生不同角度異常偏離時，研究異常葉片對風機性能參數的影響規律及前后級異常葉片的干涉關系。主要結論有：

(1) 第二級異常葉片偏離角度β2=+8°時風機整體的性能要優于β2=-8°時，且β2保持不變情況下，β1從-12°增加到+12°的過程中，全壓和效率呈現整體先增大后減小的變化趨勢，異常葉片對風機性能的影響在小體積流量區域尤為突出。此外，β1=+8°時對風機整體性能的影響最小，而β1=-12°時影響最大。

(2) 第二級葉輪的做功能力在受到本級異常葉片偏離角度影響的同時，也會受到第一級異常葉片偏離角度的干涉影響。第一級異常葉片對第二級葉輪性能的影響與對風機整體性能影響的變化規律基本一致，即隨著第一級異常葉片偏離程度的增大，全壓和效率出現明顯降低，異常葉片造成的失速點對應流量增大，對應失速區范圍增大，第二級葉輪更容易進入失速區。

(3) 兩級動葉之間的導葉在一定程度上減小了前后級異常葉片的干涉，第一級葉片發生較小角度異常偏離時，第一級異常葉片對第二級葉輪的干涉影響相對比較小，而第一級異常葉片發生較大角度異常偏離時的干涉影響則相對比較大。

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StudyonInterferenceEffectsbetweenFirst-andSecond-StageAbnormalBladesofanAxialFlowFan

Feng Yao1, Dong Yunshan1, Si Fengqi1, Bai Delong2, Xie Guanyu2

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Inner Mongolia Daihai Power Generation Co., Ltd.,Ulanqab 012000, Inner Mongolia Autonomous Region, China)

To solve the problem of abnormal drifts of installation angles existing in the first- and second-stage blades of a SAF36-25-2 two-stage adjustable axial-flow induced-draft fan, Fluent software was applied to research the change rules of fan performance parameters and the interference relation of abnormal blades in the first- and second-stage. Results show that the overall fan performance at an abnormal drift angle of Δβ2=+8° in the second impeller is better than that at Δβ2=-8°. Keeping the Δβ2unchanged, when the abnormal drift angle in the first impeller changes from -12° to +12°, the fan performance increases first and then decreases, and both the fan pressure and efficiency show the most evident deterioration in the whole flow range at Δβ1=-12°, whereas the abnormal blade has the least effect on the fan performance at Δβ1=+8°. With the increment of drift angle, the interference effects of the first-stage abnormal blade on the performance of the second-stage impeller would be enhanced.

axial-flow induced-draft fan; rotor blade; installation angle; performance characteristics

2017-02-28；

2017-05-20

江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2015070-17)

封 遙(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事葉輪機械及空氣動力學方面研究。E-mail: fy_ryan@163.com

TH443

A

1671-086X(2017)06-0383-07