風機的物理模型

某600 MW 機組配套的兩級動葉可調(diào)軸流一次風機，流體計算域包括從集流器到擴壓器的內(nèi)部通道，固體計算部分為葉輪葉片部分。原風機每級導葉數(shù)目為23 片，改造方案圍繞導葉數(shù)目進行。風機動葉片和導葉片數(shù)目通常是互質(zhì)的，可以減少上游氣流對下游的沖擊，減少氣流脈動及噪聲。改造方案成組減少或者增加導葉片，其中導葉數(shù)目減少為方案一至方案三，導葉數(shù)目增加為方案四至方案六?；谳S流風機軸向可以分區(qū)的結(jié)構(gòu)特點，風機采用分區(qū)法將流體計算區(qū)域劃分為集流器區(qū)、第1級動葉區(qū)、第1級導葉區(qū)、第二級動葉區(qū)、第二級導葉區(qū)和擴壓器等6 個部分，因為動葉區(qū)內(nèi)流動較復雜，故采用尺寸函數(shù)對動葉區(qū)進行加密，而其他區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格。在模擬中進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，風機分別采用260 萬、380 萬、560 萬和820 萬等網(wǎng)格數(shù)對風機氣動性能進行計算，在保證較好的計算精度和計算成本的前提下，確定網(wǎng)格數(shù)為560 萬，在此網(wǎng)格數(shù)下時間成本和模擬精度好。運動方程為三維定常雷諾時均N-S 方程，采用可有效解決旋轉(zhuǎn)運動和二次流的Ｒealizable k － ε 湍流模型，風機的動葉區(qū)采用多重參考系模型。在數(shù)值模擬中，以集流器入口和擴壓器的出口作為整個計算域進出口，邊界條件為進口速度和自由流出。進出口流量殘差小于10 － 5，各方向的速度及k、ε 等參數(shù)的殘差小于10 － 4，認為當前計算達到收斂要求。風機利用Workbench軟件進行流固耦合計算得出對葉片靜力結(jié)構(gòu)及振動的影響。

在風機機械中，為了防止旋轉(zhuǎn)葉片和固定殼體之間的摩擦，葉片頂部和殼體之間必須有一定的間隙。由于葉尖間隙的存在，不可避免地會發(fā)生泄漏流。泄漏流與主流相互作用形成的泄漏渦將影響渦輪機械的內(nèi)部流場和氣動性能，尤其是效率、風機噪聲和穩(wěn)定的工作范圍。因此，通過改變?nèi)~頂間隙形狀，對葉頂泄漏流進行綜合分析，提高渦輪機械的氣動性能具有重要的現(xiàn)實意義和工程參考價值。目前，對葉尖間隙進行了一系列的實驗和數(shù)值模擬研究，主要集中在葉尖和殼體兩個方面。對于葉片頂部，Young等人[4]采用實驗方法研究了單槽、雙槽和上斜面對渦輪性能的影響。在此基礎(chǔ)上，模擬了風機、類型和位置對軸流風機性能的影響，指出在設(shè)計流量下，葉頂雙槽結(jié)構(gòu)具有較佳的氣動性能，風機效率提高了1.05個百分點。對多級壓縮機表明，葉根倒角還可以減小角區(qū)的失速，提高工作范圍。風機帶肩端間隙渦輪的研究表明，壓力側(cè)和吸入側(cè)后緣槽都可以略微增大葉片頂面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但吸入側(cè)后緣槽可以減小間隙的泄漏損失。例如，2012年7月12日，1號機組DCS發(fā)出風機電流差報警。

以風機帶后導葉的可調(diào)軸流風機模型為研究對象，如圖1所示。風扇由集熱器、活動葉片、后導葉和擴散器組成。風機轉(zhuǎn)子葉片采用翼型結(jié)構(gòu)，動葉14片，導葉15片，葉輪直徑d為1500mm，風機葉頂間隙delta為4.5mm，風機工作轉(zhuǎn)速為1200r/min，輪轂比為0.6，設(shè)計工況安裝角為32度，相應設(shè)計流量和總壓為37.14m3_S-1和2348pa，結(jié)構(gòu)簡圖給出了葉頂間隙均勻和不均勻的方程，其中前緣間隙和后緣間隙分別為1和2。leand te表示葉片的前緣和后緣。為了保證前緣與后緣的平均間隙為4.5mm，選取六種非均勻間隙進行分析?，F(xiàn)代軸流風機的相對徑向間隙為0.8%~1.5%[18]，改變后風機葉尖間隙的較小相對徑向間隙為1%，滿足正常運行的要求，如表1所示。其中方案1~3為漸變收縮型，方案4~6為漸變膨脹型?？刂品匠贪ㄈS穩(wěn)態(tài)雷諾時均N-S方程和可實現(xiàn)的K-E湍流模型?？蓪崿F(xiàn)的K-E模型可以有效地解決旋轉(zhuǎn)運動、邊界層流動分離、強逆壓梯度、二次流和回流等問題。風機采用分離隱式方法計算，壁面采用防滑邊界條件，壓力-速度耦合采用簡單算法。采用二階逆風法離散了與空間有關(guān)的對流項、擴散項和湍流粘性系數(shù)，忽略了重力和壁面粗糙度的影響。由于軸流風機在設(shè)計初期安裝在倉庫窗戶上，所以本試驗采用了向上通風。