不同前缘叶片结构对变压器冷却风机气动性能的影响分析

郭 磊

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司， 山西 朔州 038300）

0 引言

近几年，随着电力资源的不断发展应用，供电系统的应用逐渐增加，且用电端负荷的增加，对供电系统的容量及稳定要求也随之增加。变压器是供电系统中主要的变电压设备，为满足供电系统的需求，变压器的容量也不断增加[1]，在使用过程中会产生大量的热量，对设备自身的使用也造成严重的干扰。为实现对变压器及时的散热，多采用对变压器配置相应的冷却风机的形式实现散热[2]，同时风机的高速运行也存在噪声污染的问题。变压器冷却风机多采用轴流风机的形式，气动噪声是其主要的噪声源[3]，叶片的前缘结构形式对风机的噪声及性能具有综合的影响作用。采用数值模拟的形式对不同结构前缘叶片引起的冷却风机气动性能变化进行分析[4]，从而选取合理的结构形式提高冷却风机性能，提高变压器的散热性。

1 变压器冷却风机不同前缘结构分析模型的建立

以某变压器使用的冷却风机为研究对象进行分析，采用UG 建立冷却风机的结构模型，风机的功率为6kW，额定流量为165m3/min，额定转速为1500r/min，叶轮的直径为570 mm。采用Ansys Fluent 软件进行变压器冷却风机的性能分析[5]，为避免边界效应的影响作用，在模型中将冷却风机的进口及出口区域进行延长作为流体的计算域，进口区的长度为叶轮直径的3 倍，出口区域为叶轮长度的4 倍[6]，则模型可以分为进口区、风机区及出口区三个计算域，如图1 所示。

图1 冷却风机计算模型的划分

在模型中对变压器冷却风机的计算域进行网格划分处理，采用切割体网格类型，避免生成较大的六面体网格影响计算准确性[7]，对动静叶轮位置的区域进行网格的加密处理，设定网格的大小为2.5 mm。

依据仿生学对冷却风机噪声的影响研究，对叶片的前缘结构进行不同形式的设计，采用驼背鲸鳍肢前缘凸起结构形式对风机的叶片结构进行设计改进[8]，共得到4 种不同的冷却风机前缘叶片结构如图2 所示，其中原模型采用直边的结构形式，其余三种模型为不同的波浪波长形成的前缘叶片结构[9]，其中A 模型的波长为19 mm，B 模型的波长为9.5 mm，C 模型的波长为6.5 mm。依次建立四种不同叶片结构的冷风风机分析模型，对风机的气动性能进行仿真模拟。

图2 不同前缘叶片结构示意图

在模型分析中选取压力基求解器进行求解，分析过程中对冷却风机内部温度变化进行忽略，采用稳态计算的RNG 湍流模型，并设定进口区为压力边界，压力大小为标准大气压，出口区为压力边界，压力大小为标准大气压[10]，设置冷却风机作业过程中，动叶轮叶片为旋转的壁面，其余位置为无滑移的壁面边界。在分析过程中，首先对四种不同结构冷却风机的叶片表面压力进行分析，并在流场充分发展稳定后对冷却风机的噪声进行分析，由于噪声的波长较长，对叶片相互之间及与外壳之间产生的反射、折射等影响作用进行忽略。

2 变压器冷却风机不同前缘结构气动性能的仿真分析

2.1 不同叶片前缘结构表面压力的分析

冷却风机的流场作用对启动噪声具有一定的影响作用，对四种模型的表面压力分布进行模拟，得到不同前缘结构叶片的压力分布如图3 所示，同时图3中展示了叶片前缘压力的局部放大图。从图3 中可以看出，冷却风机的叶片并非在叶轮上进行垂直安装，而是具有一定的扭转角度，从而造成了叶片的分流线与叶片前缘具有一定的角度。原始模型的最大压力分布呈近似直线的形态，在靠近波峰的位置处存在间断分布，使得叶片前缘的压力差值减小；波浪形结构的叶片前缘处的气流较稳定，不易产生涡流，使冷却风机具有较好的气动性能。

图3 不同前缘叶片表面压力分布

在图3 中原始模型的叶片前缘位置的压力梯度狭小，在运行过程中会产生较大的压力脉动，由此引起较大的气动噪声作用；波浪形前缘结构的叶片的压力梯度分布均匀，可以改善运行过程中的压力梯度，减小压力差值，且在不同的波长中，随着波长的减小，压力梯度的分布均匀性增加，由此可以减小产生的噪声作用。

2.2 不同叶片前缘结构噪声的分析

在冷却风机内部流场经过充分的发展后，采用声学计算的方式对风机的噪声进行统计，设置计算的时间为0.6 s，时间步长为0.000 1 s，将大涡流的激励作用施加到叶片的表面上作为声源的激励，并在冷却风机上距离出风口1 m 的位置处对噪声进行采集。经过计算采集分析，得到距离出风口1 m 监测位置处的声压等级变化如图4 所示。从图4 中可以看出，原始模型的噪声声压等级最高，其余波浪形叶片结构的声压逐渐减小，相对原始模型分别减小2 dB、3.5 dB、4.5 dB。

图4 不同前缘叶片噪声声压统计

从图4 中可知，波浪形叶片前缘结构可以有效地降低冷却风机的噪声，且随着波浪形前缘结构波长的减小，其产生的噪声作用随之减小，具有较好的降噪效果。这是由于在冷却风机运行中，出风口位置的噪声源主要集中在叶片的前缘及叶顶位置处，叶片前缘位置受到气流的冲击，叶顶处存在气流的泄漏等作用会引起局部压力的变动，产生较大的压力波动，这种压力波动作用在较小波长的前缘叶片结构时所引起的振动作用较小，从而减小了噪声作用。

3 结论

1）变压器是供电系统中主要的变电压设备，随着容量及负荷得到增加，变压器的散热需配置相应的冷却风机，提高变压器的散热效率，保证使用的稳定性。

2）冷却风机叶片结构形式的不同对气动性能具有重要的影响，针对所采用的直线型叶片前缘结构，进行波浪形前缘结构的改进设计，并选择不同的波长，采用ANSYS Fluent 软件建立了四种不同的冷却风机模型，进行计算域的划分。

3）对不同叶片前缘结构形式的表面压力进行分析，结果表明，波浪形前缘叶片结构的表面压力相对原始模型具有一定的减小，且波长越小，表面的压力越小；进一步对不同叶片产生的噪声进行分析表明，波浪形前缘叶片结构可以减小噪声作用，且波长越小，所产生的噪声越小。由此，可对变压器使用的冷却风机前缘叶片结构进行的优化设计，采用较小波长的叶片前缘结构，改善冷却风机的气动性能，提高变压器的散热效率。