不同前緣葉片結構對變壓器冷卻風機氣動性能的影響分析

郭 磊

（晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

近幾年，隨著電力資源的不斷發展應用，供電系統的應用逐漸增加，且用電端負荷的增加，對供電系統的容量及穩定要求也隨之增加。變壓器是供電系統中主要的變電壓設備，為滿足供電系統的需求，變壓器的容量也不斷增加[1]，在使用過程中會產生大量的熱量，對設備自身的使用也造成嚴重的干擾。為實現對變壓器及時的散熱，多采用對變壓器配置相應的冷卻風機的形式實現散熱[2]，同時風機的高速運行也存在噪聲污染的問題。變壓器冷卻風機多采用軸流風機的形式，氣動噪聲是其主要的噪聲源[3]，葉片的前緣結構形式對風機的噪聲及性能具有綜合的影響作用。采用數值模擬的形式對不同結構前緣葉片引起的冷卻風機氣動性能變化進行分析[4]，從而選取合理的結構形式提高冷卻風機性能，提高變壓器的散熱性。

1 變壓器冷卻風機不同前緣結構分析模型的建立

以某變壓器使用的冷卻風機為研究對象進行分析，采用UG 建立冷卻風機的結構模型，風機的功率為6kW，額定流量為165m3/min，額定轉速為1500r/min，葉輪的直徑為570 mm。采用Ansys Fluent 軟件進行變壓器冷卻風機的性能分析[5]，為避免邊界效應的影響作用，在模型中將冷卻風機的進口及出口區域進行延長作為流體的計算域，進口區的長度為葉輪直徑的3 倍，出口區域為葉輪長度的4 倍[6]，則模型可以分為進口區、風機區及出口區三個計算域，如圖1 所示。

圖1 冷卻風機計算模型的劃分

在模型中對變壓器冷卻風機的計算域進行網格劃分處理，采用切割體網格類型，避免生成較大的六面體網格影響計算準確性[7]，對動靜葉輪位置的區域進行網格的加密處理，設定網格的大小為2.5 mm。

依據仿生學對冷卻風機噪聲的影響研究，對葉片的前緣結構進行不同形式的設計，采用駝背鯨鰭肢前緣凸起結構形式對風機的葉片結構進行設計改進[8]，共得到4 種不同的冷卻風機前緣葉片結構如圖2 所示，其中原模型采用直邊的結構形式，其余三種模型為不同的波浪波長形成的前緣葉片結構[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構的冷風風機分析模型，對風機的氣動性能進行仿真模擬。

圖2 不同前緣葉片結構示意圖

在模型分析中選取壓力基求解器進行求解，分析過程中對冷卻風機內部溫度變化進行忽略，采用穩態計算的RNG 湍流模型，并設定進口區為壓力邊界，壓力大小為標準大氣壓，出口區為壓力邊界，壓力大小為標準大氣壓[10]，設置冷卻風機作業過程中，動葉輪葉片為旋轉的壁面，其余位置為無滑移的壁面邊界。在分析過程中，首先對四種不同結構冷卻風機的葉片表面壓力進行分析，并在流場充分發展穩定后對冷卻風機的噪聲進行分析，由于噪聲的波長較長，對葉片相互之間及與外殼之間產生的反射、折射等影響作用進行忽略。

2 變壓器冷卻風機不同前緣結構氣動性能的仿真分析

2.1 不同葉片前緣結構表面壓力的分析

冷卻風機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行模擬，得到不同前緣結構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，冷卻風機的葉片并非在葉輪上進行垂直安裝，而是具有一定的扭轉角度，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，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小；波浪形結構的葉片前緣處的氣流較穩定，不易產生渦流，使冷卻風機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，在運行過程中會產生較大的壓力脈動，由此引起較大的氣動噪聲作用；波浪形前緣結構的葉片的壓力梯度分布均勻，可以改善運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，由此可以減小產生的噪聲作用。

2.2 不同葉片前緣結構噪聲的分析

在冷卻風機內部流場經過充分的發展后，采用聲學計算的方式對風機的噪聲進行統計，設置計算的時間為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，并在冷卻風機上距離出風口1 m 的位置處對噪聲進行采集。經過計算采集分析，得到距離出風口1 m 監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，其余波浪形葉片結構的聲壓逐漸減小，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計

從圖4 中可知，波浪形葉片前緣結構可以有效地降低冷卻風機的噪聲，且隨著波浪形前緣結構波長的減小，其產生的噪聲作用隨之減小，具有較好的降噪效果。這是由于在冷卻風機運行中，出風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構時所引起的振動作用較小，從而減小了噪聲作用。

3 結論

1）變壓器是供電系統中主要的變電壓設備，隨著容量及負荷得到增加，變壓器的散熱需配置相應的冷卻風機，提高變壓器的散熱效率，保證使用的穩定性。

2）冷卻風機葉片結構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構，進行波浪形前緣結構的改進設計，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機模型，進行計算域的劃分。

3）對不同葉片前緣結構形式的表面壓力進行分析，結果表明，波浪形前緣葉片結構的表面壓力相對原始模型具有一定的減小，且波長越小，表面的壓力越小；進一步對不同葉片產生的噪聲進行分析表明，波浪形前緣葉片結構可以減小噪聲作用，且波長越小，所產生的噪聲越小。由此，可對變壓器使用的冷卻風機前緣葉片結構進行的優化設計，采用較小波長的葉片前緣結構，改善冷卻風機的氣動性能，提高變壓器的散熱效率。