异常动叶周向位置关系对轴流风机性能的影响

叶学民，　王　丰，　丁学亮，　李春曦

(1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003;

2.中国航空工业新能源投资有限公司，北京 100027)



异常动叶周向位置关系对轴流风机性能的影响

叶学民1，王丰2，丁学亮1，李春曦1

(1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003;

2.中国航空工业新能源投资有限公司，北京 100027)

摘要：以某两级动叶可调轴流风机为研究对象，采用全三维定常数值模拟方法分析了两级叶轮上异常叶片的4种周向位置关系对风机性能和内流特征的影响.结果表明：偏离角Δβ较小时，异常情形下的全压与正常情形下相近，效率有小幅降低；随Δβ增大，叶轮出口截面上的总压和湍动能的规律性分布被破坏，湍动能强度整体升高，导致全压规律性显著恶化，效率降低，体积流量较小时更为突出；总体上，F1和S2叶片异常偏离时的影响最显著，F1和S1叶片异常时的影响次之，F1和S3叶片异常时的影响最小.

关键词：动叶可调轴流风机； 两级叶轮； 动叶偏离； 周向位置； 性能； 内流特征

随着火力发电机组增容及对变工况运行要求的提高，动叶可调轴流风机以高效、运行范围宽等优点广泛用于风烟系统中.风机的稳定运行直接影响到主机的安全经济性.而实际运行中，叶片安装角非同步调整或漂移是该类风机的常见故障[1-3]，不仅会导致风机性能恶化及不规律振动，严重时还会引发喘振、失速乃至叶片断裂等重大事故[4-6].

虽然动叶异常引起的轴流风机故障较多，但对其内流特征及作用机理的研究尚不完善，已有研究多以离心风机为对象[7-10].因此，迫切需要深入的研究来解析风机内部流动的本质，为轴流风机运行优化和节能改造提供支持.马宏伟等[11]利用三维激光多普勒测速仪测量了某轴流风机通道叶尖区的三维流场，对于尖部负荷较小的平板弯曲叶片，探讨了泄漏流、泄漏涡的产生位置及作用机制.肖朋等[12-15]以OB-84型带后置导叶的动叶可调轴流风机为对象，模拟了多种工况下的内流特征，所得模拟特征与试验结果吻合良好，揭示了大型动叶可调轴流风机特征流面上的流动特征.方恒和等[16]通过数值模拟得到了某轴流风机的气动噪声和流动损失分布，分析了流动损失产生的原因，并在此基础上引入大涡模拟和三维FW-H声学模型，预测了该风机的离散噪声分布特性，提出了风机节能降噪措施.李新颖[17]通过模拟某两级动叶可调轴流风机前后级叶轮分别发生动叶安装角非同步调整时的风机性能，探讨了动叶异常对内流特征、噪声、熵产率分布及叶轮做功能力的影响.

然而，上述研究多集中在单级或两级动叶可调轴流风机在不同工况或发生单动叶异常偏离时的风机性能和内流特征变化，对动叶可调轴流风机发生多枚叶片同时异常偏离的研究还较少，仅叶学民等[18-19]分析了OB-84型单级动叶可调轴流风机发生相邻和相间两动叶及相邻三动叶异常非同步调整时的风机性能和内流特征.为此，笔者针对某600 MW机组配套的两级动叶可调轴流风机，当两级叶轮上各有一枚异常叶片、但处于不同周向位置时，采用Fluent软件模拟两异常叶片发生同角度正偏离(即动叶向开度增大的方向偏转)情形下的风机性能，探讨异常动叶偏离度和异常叶片间的周向位置关系对风机性能及内流特征的影响.

1计算模型

以某600 MW机组配套的两级动叶可调轴流风机为研究对象，该风机转速为1 490 r/min，动叶外径为1 778 mm，每级叶轮配备24枚动叶.风机安装两级后置导叶，每级导叶数为23，且第一级导叶为长短复合式叶片相间布置[17].动叶与导叶均沿周向均匀分布.设计工况下，叶片安装角为+3°，体积流量为82.4 m3/s，风机全压为11 865 Pa，笔者基于此工况进行分析.

数值模拟采用Fluent软件.风机模型分为集流区、两级动叶区、两级导叶区和扩压区等6个分区，以集流器进口截面和扩压器出口截面作为模型的进口和出口，对动叶区尤其叶顶间隙及叶片表面进行局部网格加密.控制方程组采用带旋流修正的Realizablek-ε湍流模型[18-19]，初始进口湍动能和湍流耗散率通过经验公式确定.不同计算区域的交界面使用interface进行数据交换，动叶区使用多重参考坐标系进行模拟，轮毂及叶片为旋转壁面.模型通过网格无关性验证，网格数约510万，每级叶轮网格数约为170万，模拟所得全压和效率曲线的平均相对偏差分别为4.32%和-3.81%.

为研究两级叶轮上异常动叶不同周向位置关系的影响，图1(a)标出了其周向位置.设计工况下，所有叶片安装角均为+3°，即处于正常状态，偏离角Δβ=0°；规定叶片向动叶开度增大方向偏离为异常正偏离，即Δβ>0°，如图1(b)所示.为简化描述，第一级叶轮上的异常叶片记为F1，第二级叶轮上的异常叶片分别记为S1、S2、S3和S4，其与F1间的周向相位差分别为0°、45°、90°和180°.因叶片角度由同一液压机构进行调节，因此两异常叶片的偏离角相同.笔者针对上述不同相位关系，在相同偏离角(Δβ=5°、8°、10°)时的工况进行模拟，进而对比风机性能曲线、内流特征、叶轮做功能力和导叶效率的变化.

(a)异常叶片周向位置(b)偏离角示意图

图1异常叶片周向位置及偏离角示意图

Fig.1Schematic diagram of relative circumferential position between abnormal blades and the deviation angle

2风机性能

图2和图3为叶片正常和4种异常情形下的全压和效率曲线.由图2和图3可知，周向位置不同的叶片异常对风机性能有明显影响，在所研究的异常工况下，风机效率均有不同程度降低，且随Δβ增大，全压和效率降幅增大，风机性能恶化甚至无法正常运行.Δβ=5°时(图2(a)和图3(a))，4种异常情形下的性能曲线变化与正常情形一致,且异常叶片对全压影响较小,但风机效率却明显降低，尤其体积流量较小时降幅更为显著；F1和S4叶片异常时，在整个体积流量范围内，其全压均高于正常情形，其他3种情形下，全压仅在体积流量较大时高于正常情形，这是由于异常叶片排挤气流产生的局部全压增加值高于其造成的流动损失所致[18-19].Δβ=8°时(图2(b)和图3(b))，4种异常情形下的全压和效率均降低，风机性能显著恶化，其中F1和S2叶片异常时的全压和性能降幅最大，F1和S3叶片异常的影响最小，F1和S4叶片异常时次之；此外，F1和S1叶片及F1和S2叶片异常时，额定体积流量附近出现明显的失速区，由此导致风机运行不稳定甚至被迫停机.Δβ=10°时(图2(c)和图3(c))，风机性能进一步恶化，F1和S3叶片及F1和S4叶片异常时，全压和效率下降幅度比Δβ=8°时更明显，失速区进一步扩大；而F1和S1叶片及F1和S2叶片异常时，失速区扩大至研究的整个体积流量范围，从而导致风机无法运行.

(a) Δβ=5°

(b) Δβ=8°

(c) Δβ=10°

(a) Δβ=5°

(b) Δβ=8°

(c) Δβ=10°

为量化异常叶片周向位置关系对风机性能的影响程度，表1给出了与正常情形相比，不同异常情形下体积流量为80.0～92.5 m3/s范围内风机全压和效率的平均相对变化率.由表1可知，F1和S2叶片异常时的性能下降最严重，F1和S1叶片异常的影响次之；F1和S3及F1和S42种叶片异常情形的影响较小.两级动叶可调轴流风机由于结构复杂，气流经过第一级叶轮、第一级导叶区后，第二级叶轮也已转过一定角度，因此第二级叶轮上与F1对相同气流做功的叶片(下称F1的动态同步叶片)并不与F1处于相同周向位置.由本节分析可知，S1、S2叶片在位置上更接近第二级叶轮上F1的动态同步叶片.

3叶轮相对总压升系数和相对导叶效率

为深入分析异常动叶周向位置对风机性能的影响，表2和表3给出了设计体积流量下风机的叶轮相对总压升系数和相对导叶效率，以表征叶轮做功能力强弱和导叶回收动能的能力.下文以第一级叶轮及导叶参数为基准，正常情形下，第二级叶轮的相对总压升系数为1.024，相对导叶效率为0.982.

Δβ=5°时，异常情形下的两级叶轮相对总压升系数均小幅提高，但相对导叶效率则小幅降低，这与Δβ=5°时风机性能曲线的变化一致.Δβ=8°时，4种异常情形下的叶轮相对总压升系数和相对导叶效率均低于正常情形；此外，第二级叶轮做功能力和第二级相对导叶效率的降幅总体均大于第一级叶轮及其导叶；F1和S1叶片及F1和S2叶片异常情形下的相对总压升系数和相对导叶效率低于另2种异常情形.Δβ=10°时，风机叶轮做功能力和相对导叶效率进一步下降，尤其是F1和S1叶片及F1和S2叶片异常时对应的第二级叶轮及其导叶，由此导致风机出力显著降低，这与图2和图3中的结论相符.

表1　全压和效率的相对变化率

表2　动叶异常时的叶轮相对总压升系数

表3　动叶异常时的相对导叶效率

4内流特征

为阐明两级叶轮径向和周向上的内流特征和异常叶片对流场的影响，在设计体积流量下，分析不同异常情形下叶轮出口截面的总压和湍动能分布特征，并与设计工况进行对比.

4.1出口截面上的总压分布

图4为设计工况下，两级叶轮出口截面的总压分布.由图4可知，第一级叶轮出口截面的总压基本对称分布，第二级叶轮总压分布的对称性稍差，整体上呈现高压区与次高压区交替分布的特性[20]；第二级叶轮出口截面上的总压约为第一级叶轮出口总压的2倍，这与对叶轮总压升系数的分析相符.两级叶轮出口截面上，沿叶高增加方向，出口截面上的总压呈现先升后降的趋势，流道中上部靠近叶顶的位置形成团状高压区，高压区流道间形成狭窄的低压区，此外，叶顶处由于叶顶泄漏也形成较小范围的低压区.

(a)第一级叶轮(b)第二级叶轮

图4设计工况下叶轮出口截面上的总压分布

Fig.4Total pressure distribution on impeller exit section

under design condition

图5～图7为不同偏离角下两级叶轮出口截面的总压分布，并在图中标出了异常叶片.由图5～图7可知，随Δβ增大，叶轮出口截面的总压分布受影响程度也随之提高.Δβ=5°时(图5)，异常情形下的叶轮出口截面的总压分布与正常情形相近，仅异常叶片逆旋转方向邻近流道的总压分布被打乱；对于第一级叶轮出口截面，4种异常情形对其总压的影响相当，逆旋转方向F1叶片邻近流道的高压区被排挤直至消失，并在流道中部衍生出较明显的团状低压区，而逆旋转方向F1叶片邻近流道中下部低压区及叶顶低压区范围均扩大；对于第二级叶轮出口截面，4种异常情形下，异常叶片逆旋转方向上邻近流道的低压区范围有所扩大.

Δβ=8°时(图6)，叶轮出口截面上的总压分布变化显著，异常叶片附近2～5个叶片流道的总压分布发生明显变化.F1和S1叶片与F1和S2叶片异常时叶轮出口截面总压值与正常情形相近，而其他2种叶片异常情形下，两级叶轮出口截面总压值整体大幅升高.对于F1和S1叶片与F1和S2叶片异常情形，在第一级叶轮出口截面，F1叶片逆旋转方向邻近流道内由高压区演变成的低压区较Δβ=5°时更加明显，并向叶顶方向扩展；对于第二级叶轮出口截面，除F1和S3叶片异常时，其他3种异常情形下，S3叶片附近1/6叶轮流道内靠近叶顶位置出现带状低压区，其中F1和S2叶片异常时该低压区最明显；此外，4种异常情形下，S2叶片位置邻近流道高压区的范围增大，总压均有所升高.

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

Δβ=10°时(图7)，叶轮出口截面总压分布进一步恶化，总压分布的规律性严重畸变.F1和S1叶片异常的影响最大，第一级叶轮出口截面的总压对称分布特征整体被破坏，逆旋转方向F1叶片邻近2/5叶轮流道发展出明显低压区，并在整个叶轮范围内衍生出2个较明显的高压区，此外，总压较低的叶顶低压区范围也显著增大.F1和S2叶片异常的影响仅次于前者，其第一级叶轮上顺旋转方向F1叶片邻近2/5叶轮流道被高压区覆盖，逆旋转方向F1叶片邻近2/5叶轮流道的叶顶低压区显著扩展，第二级叶轮上沿S2叶片顺旋转方向的叶轮流道受影响明显，衍生出2个明显的高压区和1个靠近叶顶的低压区.F1和S3叶片异常的影响较小，其总压分布的规律性与正常情形相近，仅异常叶片附近的流道受较大影响.F1和S4叶片异常时，第一级叶轮出口截面上，逆旋转方向F1叶片邻近1/4叶轮流道总压分布受到影响，而第二级叶轮出口截面上，顺旋转方向S4叶片邻近1/2叶轮流道的总压显著升高，并产生明显的叶顶低压区.

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

4.2出口截面上的湍动能分布

湍动能是湍流强度的度量，其大小和空间的不均匀性在一定程度上反映了黏性耗散损失和脉动扩散的大小和发生范围.图8给出了设计工况下，两级叶轮出口截面上的湍动能分布.第一级叶轮出口截面上的湍动能整体呈周向对称分布，第二级叶轮的对称性略差；最小湍动能区位于叶片流道中部，高湍动能区位于叶顶位置，叶顶处也存在较大的湍动能梯度；此外，第二级叶轮出口截面上的湍动能整体高于第一级叶轮，即第二级叶轮处工质的耗散损失较大.

图9～图11给出了4种异常情形下两级叶轮出口截面上的湍动能分布.Δβ=5°时(图9)，4种异常情形下两级叶轮出口截面上的湍动能分布与正常情形相近，仅逆旋转方向上异常叶片邻近流道的低湍动能区被排挤，形成沿径向贯穿叶轮流道的条带状高湍动能区，且其叶顶高湍动能区进一步发展，局部湍流强度增大.

(a)第一级叶轮(b)第二级叶轮

图8设计工况下叶轮出口截面上的湍动能分布

Fig.8Turbulent energy distributions on impeller exit section

under design condition

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

(a) F1和S1叶片异常

(c) F1和S3叶片异常

Δβ=8°时(图10)，出口截面上的湍动能分布变化明显，各异常情形下湍动能的最大值远高于正常情形；对于第一级叶轮出口截面，在逆旋转方向F1叶片邻近流道靠近叶顶位置均产生明显的团状高湍动能区，其峰值可达500 m2/s2；对于第二级叶轮出口截面，F1分别与S1、S2和S4叶片异常的3种情形下，在以S3叶片位置为中心的1/5叶轮流道叶顶间隙位置形成狭窄的高湍动能带，而F1和S3叶片异常时，该带状高湍动能区因S3叶片异常而被打断，此处湍动能也达到500 m2/s2；此外，第二级叶轮出口截面逆旋转方向上异常叶片邻近流道依然存在贯穿流道的条状高湍动能区，并向逆旋转方向邻近流道的叶顶位置扩展.

Δβ=10°时(图11)，F1和S1叶片及F1和S2叶片异常情形下，叶轮出口截面上的高湍动能区范围与整体强度均高于另外2种异常情形，这与性能曲线的变化一致.F1和S1叶片及F1和S2叶片异常时，对于第一级叶轮出口截面，逆旋转方向F1叶片邻近流道的条带状高湍动能区仍然存在，并在与F1叶片顺旋转方向间隔1/5叶轮流道的位置衍生出覆盖超过1/4叶轮流道的高湍动能带，与相同异常情形下第一级叶轮出口截面形成的高压区位置基本重合，其湍动能达到500 m2/s2；对于第二级叶轮出口截面，这2种异常情形下，出口截面上近3/5叶轮流道的湍动能分布被破坏，其中2/5叶轮流道的湍动能强度显著升高，并形成7个明显的湍动能峰值中心，且沿顺旋转方向由叶顶位置向流道中部排列，该区域中心湍动能达到750 m2/s2.F1和S3及F1和S42种叶片异常情形下，对于第一级叶轮出口截面，逆旋转方向F1叶片邻近流道的团状高湍动能区进一步发展，湍动能强度有所提高；对于第二级叶轮出口截面，2种异常情形下，包括S3叶片位置在内的近2/5叶轮流道的湍动能分布被破坏，其湍动能强度整体提高，其中F1和S4叶片异常情形下该高湍动能区范围较大；此外，S4叶片位置逆旋转方向邻近流道的叶顶区湍动能强度均显著升高.

5结论

(1) 偏离角Δβ较小时的风机全压与正常情形相近，效率则小幅降低；随Δβ增大，全压规律性显著恶化，效率降低，体积流量较小时更为突出；尤其F1和S1及F1和S22种叶片异常情形下，出现了明显的失速区，并扩大至设计体积流量附近；Δβ=10°时风机性能严重畸变，在整个体积流量范围内风机均处于不稳定状态.

(2) Δβ=5°时，4种异常情形下叶轮的相对总压升系数均有小幅升高；而在Δβ=5°和8°时，叶轮的相对总压升系数和相对导叶效率均降低，且随Δβ增大，降低幅度更加显著.F1和S3及F1和S42种叶片异常情形下，叶轮相对总压升系数和相对导叶效率的降幅小于另2种异常情形；随Δβ增大，F1和S2叶片异常对相对导叶效率的影响明显强于F1和S1叶片异常情形.

(3) 两级叶轮上异常叶片的相对周向位置关系对风机性能有明显的影响.Δβ较小时，4种异常情形下叶轮出口截面上的全压和湍动能分布与正常情形相近，随Δβ增大，其分布的规律性被破坏，叶轮出口截面湍动能强度整体升高，流动损失增加.此外，Δβ较大时，F1和S1叶片及F1和S2叶片异常情形下对全压和湍动能分布的影响程度明显大于另2种异常情形.

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Effect of Relative Circumferential Position Between Abnormal Blades on Performance of a Variable-pitch Axial-flow Fan

YEXuemin1,WANGFeng2,DINGXueliang1,LIChunxi1

(1. Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. China Aviation Industry Renewable Energy Corporation, Beijing 100027, China)

Abstract：Taking a two-stage variable-pitch axial-flow fan as an example, a 3D steady numerical simulation was performed to study the effect of 4 relative circumferential positions between abnormal blades located separately in two impellers on the fan performance and internal flow dynamics. Results show that for smaller deviation of blade installation angle Δβ, the full pressure under abnormal cases is approximately same as under normal case, while the efficiency declines slightly. With the increase of Δβ, the regular distributions of total pressure and turbulence energy on impeller exit sections are disturbed notably, and the intensity of turbulence energy is generally augmented, resulting in deteriorated distribution of full pressure and reduced efficiency, especially in low flowrate regions. Generally, the fan performance and flow characteristics are affected mostly by relative circumferential position between abnormal blades F1 and S2, followed by that between abnormal blades F1 and S1, and minimally by that between abnormal blades F1 and S3.

Key words：variable-pitch axial-flow fan; two-stage impeller; blade deviation; circumferential position; performance; internal flow characteristic

文章编号：1674-7607(2016)03-0218-09

中图分类号：TH4；O355

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：叶学民(1973-)，男，河北邢台人，教授，博士，主要从事流体机械、流体动力学理论及应用和新能源技术等方面的研究.

基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2012502016)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(13MS98)

收稿日期：2015-05-15

修订日期：2015-05-28

电话(Tel.)：13932203443；E-mail：yexuemin@163.com.