電站空冷風機的設計與流場數值計算（1）

摘要: 介紹了火電廠直接空冷風機采用 5 次方流型的設計過程, 使用三維 N- S 方程對所設計的空冷風機在設計點的性能進行了計算, 并與采用等 A流型的風機性能進行了比較, 計算結果表明: 采用 5 次方流型設計, 其全壓效率要比等 A流型的風機高 10% 左右。
關鍵詞: 空冷風機  設計  三維流場  數值模擬
中圖分類號: TH43  文獻標識碼: B
文章編號: 1006- 8155( 2007) 01- 0017- 04Design and Flow Field Numerical Calculation ofAir Cooling Fan for Power StationAbstract: Design process of direct air cooling fanusing fifth power type line is introduced. T heperformance of air cooling fan designed with 3DN- S equation is calculated, comparing with theperformance of fan using equal- type line, theresult shows that the total efficiency of air coolingfan using fifth power type line is higher about10% .
Key words: Air cooling fan Design 3D flow field Numerical simulation
0  引言
由于水資源的匱乏和環境保護的要求, 國內外火電廠的濕式冷卻塔正逐漸被空氣冷卻設備所取代。目前, 可供電站空冷選用的空冷系統有直接空冷系統、 采用混合式凝汽器的間接空冷系統以及采用表面式凝汽器的間接空冷系統。
空冷風機的功能是向空冷凝汽器輸送冷空氣, 以冷卻、 冷凝冷凝汽器里的飽和蒸汽。該風機為一種大風量、 低壓頭、 小輪轂比, 無前、 后導葉的單葉輪軸流風機。空冷風機由電動機再經齒輪減速箱來驅動, 必然要消耗動力, 而且需要配置幾十臺空冷風機同時投運, 風機的能耗是相當大的, 占汽輪機額定功率的 1% ~ 2%。因此, 提高風機的效率具有可觀的經濟效益。目前大量使用的空冷風機葉片, 采用的是早期的翼型, 因其沿展向的載荷分布不甚合理,使得風機效率較低。因此本文采用沿展向載荷為 5 方曲線的流型設計了空冷風機葉片, 并利用 CFD 求解器 Numeca 對空冷風機的內部三維粘性流場進行數值模擬, 獲得了風機內部的許多流動細節、 規律及性能參數。同時, 還與采用等 A的變環量流型設計的風機進行了比較,結果表明: 采用 5 次方流型設計的空冷風機效率要比等 A流型的風機效率高 10% 左右。因此, 采用 5 次方流型設計的空冷風機具有明顯的節能效果。
1  5 次方流型及其特點
一般工業用軸流通風機的設計多采用全壓p 沿動葉葉高按等 A規律分布, 即式中  r )) ) 計算基元級所處界面的半徑$ C u )) ) 葉輪進出口氣流扭速之差通常取 A = - 1~ + 1。當 A= 1 時為等環
量流型; 當 AX1 時為變環量流型。
這樣的流型基本上能自動滿足簡單的徑向平衡條件, 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 所示的空冷風機) , 往往由于設計時不能滿足假設條件而使風機的效率偏低。

鑒于空冷器用軸流風機的整流條件很差,采用動葉載荷沿葉高按 5 次方規律分布的設計方法 [ 1] 。即式中 A 0 , A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 為待定常數。該流型的特點:
( 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。風機運行過程中, 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,而葉片中部流動情況相對較好。因此, 采用 5次方流型設計空冷風機, 使葉片中部做功多, 出口氣流軸向速度大, 正好符合空冷風機的實際情況。
5 次方流型中的 6 個待定常數由徑向平衡方程、 連續性方程及動量方程確定。
6 個待定常數的初值可根據通風機的總體氣動參數: 全壓和流量, 結合流型的特點, 任意給定 5 次方曲線, 用回歸的方法即可得到。然后, 通過反復迭代, 試算最終可以確定流型中的全部待定常數。最后按一般計算方法計算出通風機的各項氣動數據。
在計算時, 應考慮以下幾條原則:
( 1) 由于空冷風機葉輪前后均無導葉, 葉輪出口旋轉動能 0. 5Q C 2u 2 為無用能量, 所以為提高空冷風機的效率, 應盡可能地降低 C 2u , 以減少無用的能量損失;
( 2) 葉輪出口軸向速度 C A 沿葉高分布應盡量均勻, 以減少葉輪出口后的氣流混合損失;
( 3) 由于空冷風機多采用小輪轂比, 所以其葉根處氣流條件最惡劣, 葉根處設計不合理會影響整個流場, 影響通風機的效率, 故而應使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。