1、電站空冷風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)與流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算周文平 唐勝利/重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院摘要：介紹了火電廠直接空冷風(fēng)機(jī)采用5次方流型的設(shè)計(jì)過(guò)程。使用三維N-S方程對(duì)所設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能進(jìn)行了計(jì)算，并與采用等流型的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計(jì)，其全壓效率要比等流型的風(fēng)機(jī)高10左右。 關(guān)鍵詞：空冷風(fēng)機(jī) 設(shè)計(jì) 三維流場(chǎng) 數(shù)值模擬 中圖分類(lèi)號(hào)：TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2007）01-0017-04Design and Flow Field Numerical Calculation of Air Cooling Fan for Power StationAb

2、stract: Design procession of direct air cooling fan using fifth power type line is introduced. The performance of air cooling fan designed with 3D N-S equation is calculated, comparing with the performance of fan using equal-type line, the result shows that the total efficiency of air cooling fan us

3、ing fifth power type line is higher about 10%.Key words: Air cooling fan Design 3D field Numerical simulation0 引言由于水資源的匱乏和環(huán)境保護(hù)的要求 ,國(guó)內(nèi)外火電廠的濕式冷卻塔正逐漸被空氣冷卻設(shè)備所取代。目前，可供電站空冷選用的空冷系統(tǒng)有直接空冷系統(tǒng)、采用混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)以及采用表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)。 空冷風(fēng)機(jī)的功能是向空冷凝汽器輸送冷空氣，以冷卻、冷凝空冷凝汽器里的飽和蒸汽。該風(fēng)機(jī)為一種大風(fēng)量、低壓頭、小輪轂比，無(wú)前、后導(dǎo)葉的單葉輪軸流風(fēng)機(jī)。空冷風(fēng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)再經(jīng)齒輪減

4、速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)，必然要消耗動(dòng)力，而且需要配置幾十臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)同時(shí)投運(yùn)，風(fēng)機(jī)的能耗是相當(dāng)大的，占汽輪機(jī)額定功率的12。因此，提高風(fēng)機(jī)的效率具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前大量使用的空冷風(fēng)機(jī)葉片，采用的是早期的翼型，因其沿展向的載荷分布不甚合理，使得風(fēng)機(jī)效率較低。因此本文采用沿展向載荷為5次方曲線的流型設(shè)計(jì)了空冷風(fēng)機(jī)葉片，并利用CFD求解器Numeca對(duì)空冷風(fēng)機(jī)的內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了風(fēng)機(jī)內(nèi)部的許多流動(dòng)細(xì)節(jié)、規(guī)律及性能參數(shù)。同時(shí)，還與采用等的變環(huán)量流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)效率要比等流型的風(fēng)機(jī)效率高10左右。因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果

5、。rDCu=常數(shù) （1）a式中 r計(jì)算基元級(jí)所處界面的半徑DCu葉輪進(jìn)出口氣流扭速之差通常取a=-1+1。當(dāng)a=1時(shí)為等環(huán)量流型；當(dāng)a¹1時(shí)為變環(huán)量流型。這樣的流型基本上能自動(dòng)滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的徑向平衡條件，且沿葉高方向各截面的氣流速度和全壓比較均勻，損失較小。但這樣的流型只有在整流條件比較好的流道中使用才會(huì)取得良好的效果，若用在整流不好的流道中（如圖1所示的空冷風(fēng)機(jī)），往往由于設(shè)計(jì)時(shí)不能滿(mǎn)足假設(shè)條件而使風(fēng)機(jī)的效率偏低。圖1 風(fēng)機(jī)流道示意圖鑒于空冷器用軸流風(fēng)機(jī)的整流條件很差，采用【1】動(dòng)葉載荷沿葉高按5次方規(guī)律分布的設(shè)計(jì)方法。即DCu=a0+a1r+a2r+a3r+a4r+a5r23451

6、5次方流型及其特點(diǎn)一般工業(yè)用軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)多采用全壓p沿動(dòng)葉葉高按等規(guī)律分布，即式中 a0，a1，a2，a3，a4，a5為待定常數(shù)。該流型的特點(diǎn)：(1)沿徑向分配的載荷不是均勻的，葉片中間做功多，兩端（葉根和葉尖）做功少；(2)在葉片中部，葉輪出口軸向氣流速度較大，而在葉片兩端，葉輪出口軸向氣流速度較小。風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于附面層及輪轂的影響，葉根和葉尖處的氣流速度較低且均勻性差，而葉片中部流動(dòng)情況相對(duì)較好。因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)，使葉片中部做功多，出口氣流軸向速度大，正好符合空冷風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況。5次方流型中的6個(gè)待定常數(shù)由徑向平衡方程、連續(xù)性方程及動(dòng)量方程確定。dprdr=21d

7、(rCu)rdr+dCadrCa1S1=Ca2S2=Q （2）p=ruDCuh式中 p風(fēng)機(jī)全壓r當(dāng)?shù)匕霃紺a出口軸向氣流速度DCu葉輪進(jìn)出口扭速之差S1、S2葉輪進(jìn)、出口處通流面積 h風(fēng)機(jī)全壓效率6個(gè)待定常數(shù)的初值可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的總體氣動(dòng)參數(shù)：全壓和流量，結(jié)合流型的特點(diǎn)，任意給定5次方曲線，用回歸的方法即可得到。然后，通過(guò)反復(fù)迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數(shù)。最后按一般計(jì)算方法計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)。在計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮以下幾條原則： (1)由于空冷風(fēng)機(jī)葉輪前后均無(wú)導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)動(dòng)能0.5rC22u為無(wú)用能量，所以為提高空冷風(fēng)機(jī)的效率，應(yīng)盡可能地降低C2u,以減少無(wú)用的能量損失；(

8、2)葉輪出口軸向速度Ca沿葉高分布應(yīng)盡量均勻，以減少葉輪出口后的氣流混合損失；(3)由于空冷風(fēng)機(jī)多采用小輪轂比，所以其葉根處氣流條件最?lèi)毫樱~根處設(shè)計(jì)不合理會(huì)影響整個(gè)流場(chǎng)，影響通風(fēng)機(jī)的效率，故而應(yīng)使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2 計(jì)算實(shí)例空冷風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉(zhuǎn)速122r/min。根據(jù)上述計(jì)算方法，得到所設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)應(yīng)采用的流型為DCu=61.0124-98.7046r+58.4960r2r3+1.1857r4-0.00001r5（3）-14.0952圖2 等流型與5次方流型的比較風(fēng)機(jī)采用5次方流型時(shí)其出口扭速與等流型的比較如圖2所示。從圖中

9、看出，采用5次方流型時(shí)，在葉根和葉尖附近，做功量可以設(shè)計(jì)得非常小，使低效區(qū)盡量少消耗能量。這樣，當(dāng)兩者的設(shè)計(jì)與使用條件相同時(shí)，5次方流型的效率要高于等流型。在設(shè)計(jì)中，把風(fēng)機(jī)的效率高低放在首要位置，因此翼型宜選用平底機(jī)翼型（本文選用LS翼型）。最后通過(guò)經(jīng)典的軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟即可得到空冷風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)。3 三維CFD分析3.1 建模與網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格之前首先要建立三維模型。而上述風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)給出的幾何參數(shù)，是葉片不同半徑處葉型剖面二維坐標(biāo)與安裝角。為此 ,首先要把原來(lái)給出的葉型二維剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成考慮了安裝角的三維坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換后，將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入FINE/AutoGrid中，即可生成風(fēng)機(jī)網(wǎng)格。

10、圖3 空冷風(fēng)機(jī)網(wǎng)格3.2 基本方程控制方程采用的是時(shí)均N-S方程組并配合Baldwin-Lomax湍流模型。離散格式采用基于時(shí)間推進(jìn)法的Jamson格式，有限體積方法離散。邊界條件為(1) 進(jìn)口：給定流動(dòng)總壓為大氣靜壓力，流動(dòng)總溫為大氣靜溫，流動(dòng)方向?yàn)檩S向進(jìn)氣。(2) 出口：給定質(zhì)量流量。出口給定質(zhì)量流量時(shí)，出口壓力是參考值。即如果收斂，給定的出口壓力不會(huì)影響最后結(jié)果。(3) 壁面：給定絕熱和無(wú)滑移條件。3.3 計(jì)算結(jié)果及分析空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)壓有全壓、動(dòng)壓和靜壓。全壓p為通風(fēng)機(jī)出口全壓p2與進(jìn)口全壓p1之差；動(dòng)壓pd為通風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓0.5rv22；靜壓pst為全壓與動(dòng)壓之差。圖4所示為葉輪轉(zhuǎn)速為全速

11、（122r/min）工況下模擬得出的5次方流型和等流型全壓值比較。圖4 5次方流型風(fēng)機(jī)和等流型風(fēng)機(jī)的全壓比較從圖中看出，采用5次方流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)（流量為694.44m3/s）時(shí)，全壓比等流型的風(fēng)機(jī)全壓高20Pa左右。但5次方流型風(fēng)機(jī)的全壓梯度較小，這樣，風(fēng)機(jī)流量受環(huán)境風(fēng)速等的影響較大。風(fēng)機(jī)的全壓效率是反映風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。分別計(jì)算若干個(gè)工況點(diǎn)，并利用計(jì)算求得的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行葉輪性能預(yù)估。圖5為5次方流型和等流型的全壓效率的比較。圖5 5次方流型風(fēng)機(jī)和等流型風(fēng)機(jī)的效率比較從圖中看出，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，5次方流型風(fēng)機(jī)的效率要比變環(huán)量流型風(fēng)機(jī)效率高10左右，具有明顯的節(jié)能效果。4 結(jié)

12、論介紹了5次方流型設(shè)計(jì)火電廠直接空冷凝汽器風(fēng)機(jī)的過(guò)程，使用三維N-S方程對(duì)所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將結(jié)果與采用等流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)全壓比等流型的風(fēng)機(jī)要高20Pa左右，全壓效率要高10%左右，具有明顯的節(jié)能效果。由此可見(jiàn)，采用5次方流型設(shè)計(jì)方法不僅可改善葉片根部的扭曲度，有利于葉片的制造，而且能取得較佳的氣動(dòng)性能，減少無(wú)用功的損失。但是采用5次方流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，其流量不僅受外界的干擾較大，而且工作范圍較窄，葉片出口的氣流均勻性較差。參 考 文 獻(xiàn)1 高永衛(wèi), 李繼宏. 軸流通風(fēng)機(jī)五次方流型設(shè)計(jì)J.風(fēng)機(jī)技術(shù), 1999,(4):13-15.2 J.R. Bredll, D.G. Kroger and G.D. Thiart. Numericalinvestigation of fan performance in a forced draft air-cooled steam condenser. Applied Thermal Engineering, 2006, 26:846-852.3 昌澤舟,等. 軸流式通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.4 高延福, 吳秉禮. 電站空冷風(fēng)機(jī)研究進(jìn)展J. 石油化工設(shè)備, 2005,(9):42-46.5 朱堅(jiān), 高延福, 杜學(xué)忠. 電廠直接空冷大直徑