电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

苟慧智，王 信，张 磊

(1.中国国电集团公司，北京 100034；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

2017-06-02

苟慧智(1980-)，男，高级工程师，主要从事发电企业管理与经济运行研究工作 。

电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

苟慧智1，王 信2，张 磊2

(1.中国国电集团公司，北京 100034；2.华北电力大学，河北 保定 071003)

基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型，采用数值计算方法模拟了某电站轴流风机相邻两动叶+9°异常偏转及失速工况下叶轮内部的非定常流场特征，并研究了动叶异常偏转及失速工况下的叶轮应力特性，研究结果表明，失速发生后，叶轮流道内产生一个大约占据一半流道的完整失速团；+9°异常偏转叶片能够减弱失速团带来的气动载荷扰动，但最大等效应力值增加幅度较大，降低了叶轮的安全系数；旋转失速发生后，正常叶轮和异常叶轮的最大等效应力均小于屈服强度，未达到屈服状态。

轴流风机；数值模拟；流固耦合；应力特性

1 概述

轴流风机是电站常用的轴流增压式叶轮机械，是电厂的重要设备之一，其中动叶可调式轴流风机因其变工况调节效率高、运行稳定、容量大等优点得到了广泛的应用。电厂运行工况的复杂性和多变性经常导致风机出现诸多问题，其中风机在大流量工况调整动叶安装角的过程中，经常会发生一个或多个安装角的漂移，导致动叶调整不同步，从而影响了轴流风机的性能和效率[1-2]。运行实践表明，动叶角度的异常偏转会不同程度的影响风机的失速特性，而风机在失速状态下长期运行会导致叶片出现裂纹、磨损甚至断裂[3-4]。因此对动叶异常偏转风机进行失速工况下的强度分析具有重要意义。

旋转失速作为风机运行过程中常见的失稳现象，已成为当前研究的重要课题。目前旋转失速的研究主要分为模型研究、实验研究和数值研究。目前国内外学者在旋转失速的研究过程中主要用到2个模型，第1个是在1955年Emmons提出的，该模型指出失速是由一个或几个叶片首先发生气流分离产生的；第2个是Moore等人，在Emmons的基础上建立了一套相对完善的压缩系统稳定性模型，并成功预测了压气机的气动特性和失速周向传播之间的关系。在实验研究方面，Bullock和Finger等人对压缩机系统的喘振现象进行了详细的实验测量，记录了流道中的不稳定流。Huppert和Benser等人重点研究了压缩机部分失速和全周失速的区别，并预测了失速裕度。在数值模拟方面，Saxer-Felici等人通过CFD模拟了失速状态下的流动特性和失速团的大小及速度。鞠鹏飞用数值模拟的方法研究了跨声速压气机近失速的流动特征[5]。石嵩通过全通道数值模拟，研究了轴流压气机失速起始的动态过程[6]。针对动叶角度异常风机，李春曦等人研究了变工况下动叶安装角异常对轴流风机的气动及噪声影响[7]。叶学民等人研究了动叶安装角反向异常对风机的脉动特性[8]。

随着计算流体力学、计算结构力学和有限元分析的不断完善和计算机技术的快速发展，流固耦合也取得了长足进步。流固耦合是研究流体与固体之间的相互作用，包括固体在流场下的各种行为以及固体应变对流场的影响。Madenci和Curtiss等人对机翼的气动弹性进行了研究，并结合气固耦合分析了振动特性。Dehaeze. F通过CFD和结构耦合，模拟了直升机桨叶在悬停状态下的气动特性。毛军应用弱耦合方法对风机叶片进行流固耦合特性分析，在流固耦合中叶片弹性变形是不可以忽略的[9]。

旋转失速下的风机气动不稳定性发生改变，其流固耦合特性也随之改变。目前针对风机流固耦合的研究主要集中在设计工况，针对风机异常角度偏转的研究主要集中在性能和噪声等方面，失速工况下的叶轮静力分析研究较少，且还未见动叶角度异常风机失速状态下的应力分析。因此以下以某电厂两级动叶可调式轴流风机为研究对象，基于节流阀模型，采用Fluent软件对正常风机与动叶异常风机进行失速模拟，并将流场计算结果在Workbench平台中进行单项耦合分析，研究了不同异常偏转角度风机在失速状态下的叶轮应力特性。

2 数学模型

2.1 计算模型和网格划分

如图1所示为基于某电厂一次引风机建立的三维模型，其主要结构包括入口集流器、一级动叶轮、一级静叶轮、二级动叶轮、二级静叶轮和出口扩散筒六部分，具体结构参数见表1。以下分别对第二级动叶轮中两相邻动叶异常偏转风机及正常风机进行数值模拟，动叶异常偏转风机的偏转角度设定为+9°，异常偏转叶片位置如图2所示，以叶片逆时针偏转为正，即Δβy>0°，反之为负。设置入口边界条件为压力入口，0 MPa。出口边界条件为压力出口，通过加载节流阀模型来控制出口静压值。叶片材料为ZL101，其主要力学性能见表2。

图1 两级轴流风机几何模型

表1 轴流风机主要结构参数

参数轮毂比转速/(r·min-1)动叶片数目导叶数目数值0.66814902×242×23

图2 动叶异常偏转角示意

表2 叶轮材料力学性能参数

名称密度/(kg·m-3)弹性模量泊松比屈服强度/MPaZL10126606.9×10100.31180

采用Gambit软件对计算流域进行网格划分，对入口段、两级动、静叶和出口段分段划分，通过设置Interface进行数据传递。考虑到叶轮内部三维流场的复杂性，因此在动叶表面附近加边界层网格，采用尺寸函数对叶片前后缘和叶顶间隙等部位进行局部网格加密，网格数量为694万。采用Ansys自带网格对固体叶轮进行网格划分，网格单元为带中间节点的四面体单元Solid187，单元大小设置为15 mm，节点数约为49万，单元数约为31万。

2.2 数值计算

数值模拟控制方程包括连续性方程、N-S方程和Realizable k-ε方程。为了满足计算的精度要求，同时考虑到节约计算资源，以下选取双方程湍流模型进行数值模拟。采用有限体积法离散，其中对流项和扩散上采用二阶迎风差分格式。湍流模型采用Realizable k-ε模型，可以较好的反应旋转流动、流动分析及二次流等现象。

风机集流器入口设定为压力入口，0 MPa，扩压器出口设定为压力出口。稳态计算时给定出口压力，非稳态计算时出口加载节流阀模型，采用编译的UDF程序进行迭代，迭代步长为0.000 839 s。稳态计算时，动叶轮区域采用MRF模型，非稳态计算时采用滑移网格模型，转速设置为1 490 r/min。模拟过程中首先逐步提高出口压力，得到稳态条件下最大背压的收敛解，然后基于稳态结果进行非稳态计算，逐渐减小节流阀开度，直至风机进入失速。

3 计算结果与分析

图3为仅加载气动力载荷时失速工况下叶轮的等效应力分布云图。正常叶轮的应力分布集中明显，主要集中在压力面前缘和吸力面50%叶高附近，最大应力值为8.51 MPa，这是由于失速工况下形成了一个稳定的失速团，加剧了流道内流体的扰动。远离失速团流道的其他叶片应力集中消失，叶顶低应力区扩大到70%叶高附近。+9°异常叶轮在失速团位置应力分布与正常叶轮大致相似，最大应力值为7.93 MPa，异常叶片压力面前缘和吸力面中间部位出现应力集中，这说明相邻+9°异常叶片虽然减小了失速团对叶轮的影响，降低了最大应力值，但加剧了异常叶片本身的应力集中。

(a) 正常叶轮吸力面 (b) 正常叶轮压力面

(c) +9°叶轮吸力面 (d) +9°叶轮压力面 图3 仅加载气动力时的应力分布

图4为失速工况下同时加载气动力和离心力载荷时叶轮的等效应力分布。正常叶轮的最大应力值增加到34.50 MPa，但叶轮周向不均匀性降低，这是因为离心力载荷方向是径向发展，而气动力载荷是垂直于叶片表面，两者相互垂直导致叶片应力分布发生改变。失速团所在叶片存在较大范围高应力区，远离失速团的叶片应力集中减弱。+9°叶轮在失速后随着失速团的发展最大应力值不断提到，最终稳定到55.93 MPa，较正常叶轮增加了62.1%，叶顶低应力区扩大，在吸力面前缘和压力面的叶根处存在小范围的高应力区。

(a) 正常叶轮吸力面 (b) 正常叶轮压力面

(c) +9°叶轮吸力面 (d) +9°叶轮压力面 图4 加载气动力和离心力时的应力分布

以上研究的叶轮材料为ZL101，采用第四强度理论对风机叶轮进行强度校核分析。根据表材料的力学性能，材料的屈服极限为180 MPa，一般弹性结构在静力分析时安全系数控制在1.5～2，取安全系数为2。根据许用应力的计算公式得到材料的许用应力为90 MPa。对比正常叶轮和+9°异常叶轮的静力分析结果， 发现其最大等效应力在失速工况下均远小于许用应力，静强度符合要求。

4 结论

a. 对叶轮进行流固耦合分析得出，失速工况下，仅加载气动力载荷时，+9°叶轮的最大应力值与正常叶轮相比均有所降低，说明+9°异常偏转叶片能够减弱失速团带来的气动载荷扰动，但会在异常叶片位置出现应力集中。

b. 失速工况下，同时加载气动力和离心力载荷时，与仅加载气动力载荷相比，最大等效应力值显著提高，说明叶轮上的应力分布主要受离心力载荷影响。+9°叶轮最大等效应力值的增加幅度远大于正常叶轮，说明+9°异常叶片降低了叶轮的安全系数。

[1] 任艳娇，田福润，孙 石.230 t/h循环流化床锅炉一次风机叶片断裂的分析与改造[J].科技与生活，2012(5)：170.

[2] 郑福国，王维海.轴流式送风机动叶片断裂损坏的原因分析[J].电力安全技术，2008，10(5)：36.

[3] 李 俊，叶学民，王松岭.电站轴流风机常见故障及处理措施[J].发电设备，2008，22(3)：231-236.

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[5] 鞠鹏飞,宁方飞.跨声压气机近失速流动特征的数值模拟研究[J].推进技术,2016,37(6):1055-1064.

[6] 石 嵩,屠宝锋.轴流压气机近失速及旋转失速全通道数值模拟[J].航空动力学报,2016,31(5):1196-1204.

[7] 李春曦,尹 攀,叶学民.单动叶安装角深度异常对轴流风机性能及噪声影响的数值模拟[J].中国电机工程学报,2012, 32(35):122-129.

[8] 叶学民, 丁学亮, 李春曦,等. 单动叶安装角异常时轴流风机压力脉动特性的数值分析[J].动力工程学报, 2016, 36(5):395-403.

[9] 毛 军，杨立国，郗艳红.大型轴流风机叶片的气动弹性数值分析研究[J].机械工程学报，2009，45(11):133-139.

Static Characteristics Analysis of Rotor with Abnormal Blade Angle in Axial Fan Under Stall Conditions

Gou Huizhi1,Wang Xin2,Zhang Lei2

(1.China Guodian Corporation, Beijing 100034,China;2. North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Based on N-S equation and Realizable k-turbulence model,using the numerical method to study the unsteady flow characteristics in the impeller of an axial fan under two +9 degrees blade deflection in stall condition.And give a research on impeller stress characteristics under moving blades abnormal deflection and stall conditions.The results show that there is a complete stall cell which taken up about half of the impeller channel after stall.The +9 degrees abnormal deflection blade can attenuate aerodynamic load disturbance caused by stall cluster,while reducing the safety factor of the impeller by increasing the maximum equivalent stress.The maximum equivalent stress of normal impeller and abnormal impeller is less than yield strength after rotating stall.

axial fan;numerical simulation;fluid solid coupling;dress characteristic

TM621

B

1001-9898(2017)05-0015-03

本文责任编辑：杨秀敏