电站空冷风机的设计与流场数值计算（1）

摘要: 介绍了火电厂直接空冷风机采用 5 次方流型的设计过程, 使用三维 N- S 方程对所设计的空冷风机在设计点的性能进行了计算, 并与采用等 A流型的风机性能进行了比较, 计算结果表明: 采用 5 次方流型设计, 其全压效率要比等 A流型的风机高 10% 左右。
关键词: 空冷风机  设计  三维流场  数值模拟
中图分类号: TH43  文献标识码: B
文章编号: 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
由于水资源的匮乏和环境保护的要求, 国内外火电厂的湿式冷却塔正逐渐被空气冷却设备所取代。目前, 可供电站空冷选用的空冷系统有直接空冷系统、 采用混合式凝汽器的间接空冷系统以及采用表面式凝汽器的间接空冷系统。
空冷风机的功能是向空冷凝汽器输送冷空气, 以冷却、 冷凝冷凝汽器里的饱和蒸汽。该风机为一种大风量、 低压头、 小轮毂比, 无前、 后导叶的单叶轮轴流风机。空冷风机由电动机再经齿轮减速箱来驱动, 必然要消耗动力, 而且需要配置几十台空冷风机同时投运, 风机的能耗是相当大的, 占汽轮机额定功率的 1% ~ 2%。因此, 提高风机的效率具有可观的经济效益。目前大量使用的空冷风机叶片, 采用的是早期的翼型, 因其沿展向的载荷分布不甚合理,使得风机效率较低。因此本文采用沿展向载荷为 5 方曲线的流型设计了空冷风机叶片, 并利用 CFD 求解器 Numeca 对空冷风机的内部三维粘性流场进行数值模拟, 获得了风机内部的许多流动细节、 规律及性能参数。同时, 还与采用等 A的变环量流型设计的风机进行了比较,结果表明: 采用 5 次方流型设计的空冷风机效率要比等 A流型的风机效率高 10% 左右。因此, 采用 5 次方流型设计的空冷风机具有明显的节能效果。
1  5 次方流型及其特点
一般工业用轴流通风机的设计多采用全压p 沿动叶叶高按等 A规律分布, 即式中  r )) ) 计算基元级所处界面的半径$ C u )) ) 叶轮进出口气流扭速之差通常取 A = - 1~ + 1。当 A= 1 时为等环
量流型; 当 AX1 时为变环量流型。
这样的流型基本上能自动满足简单的径向平衡条件, 且沿叶高方向各截面的气流速度和全压比较均匀, 损失较小。但这样的流型只有在整流条件比较好的流道中使用才会取得良好的效果, 若用在整流不好的流道中( 如图 1 所示的空冷风机) , 往往由于设计时不能满足假设条件而使风机的效率偏低。

鉴于空冷器用轴流风机的整流条件很差,采用动叶载荷沿叶高按 5 次方规律分布的设计方法 [ 1] 。即式中 A 0 , A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 为待定常数。该流型的特点:
( 1) 沿径向分配的载荷不是均匀的, 叶片中间做功多, 两端( 叶根和叶尖) 做功少;
( 2) 在叶片中部, 叶轮出口轴向气流速度较大, 而在叶片两端, 叶轮出口轴向气流速度较小。风机运行过程中, 由于附面层及轮毂的影响, 叶根和叶尖处的气流速度较低且均匀性差,而叶片中部流动情况相对较好。因此, 采用 5次方流型设计空冷风机, 使叶片中部做功多, 出口气流轴向速度大, 正好符合空冷风机的实际情况。
5 次方流型中的 6 个待定常数由径向平衡方程、 连续性方程及动量方程确定。
6 个待定常数的初值可根据通风机的总体气动参数: 全压和流量, 结合流型的特点, 任意给定 5 次方曲线, 用回归的方法即可得到。然后, 通过反复迭代, 试算最终可以确定流型中的全部待定常数。最后按一般计算方法计算出通风机的各项气动数据。
在计算时, 应考虑以下几条原则:
( 1) 由于空冷风机叶轮前后均无导叶, 叶轮出口旋转动能 0. 5Q C 2u 2 为无用能量, 所以为提高空冷风机的效率, 应尽可能地降低 C 2u , 以减少无用的能量损失;
( 2) 叶轮出口轴向速度 C A 沿叶高分布应尽量均匀, 以减少叶轮出口后的气流混合损失;
( 3) 由于空冷风机多采用小轮毂比, 所以其叶根处气流条件最恶劣, 叶根处设计不合理会影响整个流场, 影响通风机的效率, 故而应使叶根附近叶片的扭曲程度尽量平缓。