陕西省汇铸丰风机有限公司:风机叶片加长前后的数值研究

来自:唯瑞泵业科技南昌有限公司

摘要:以G4-73№8D型离心通风机为研究对象,使用Fluent数值模拟软件分别对叶片加长前、后进行了三维定常数值模拟。结果表明:离心式通风机叶片加长后,内部流场变化明显,风机全压提高迅速,提高风机出力作用明显。通过对风机叶片两次加长进行数值模拟,推导出叶片加长后风机性能参数的变化规律,对风机的改造具有一定的指导意义。

引言

在火力发电厂中,通风机是烟风系统的动力源,其运行状况直接关系到电厂的安全经济运行。离心式风机在我国电厂中占有较大比例,其中G4-73型系列离心式风机广泛用于200MW和300MW火力发电机组的锅炉送、引风机,因此,研究和改进G4-73型离心式风机具有广泛的现实意义和工程应用价值[1]。电站锅炉设备经过长期连续运行,送、引风机的系统阻力增大,工作条件恶化,使锅炉的排烟损失和不完全燃烧损失加大。彻底解决多年运行后预热器漏风及阻力大的问题绝非易事,适当提高风机出力是恢复机组满负荷运行的最有效方法。提高风机出力的方法多种多样,如提高风速,更换较大直径的叶轮等,对于现役机组提高风机出力最简单有效的措施就是加长风机叶片[2]。

目前对离心通风机研究方法主要有两种:试验研究和CFD数值模拟。试验测量不仅设备昂贵,运行费用高,且使用场合容易受到限制。数值模拟简单易行,成本和运行费用低,且有一定的准确性,其优势明显。用数值模拟来揭示风机内部的流动情况,在特定条件下分析流动图像和变化趋势,从而达到优化设计,减少风机内部能耗和噪声,并提高风机性能和效率的目的[3]。利用CFD进行模拟已经是当前了解风机内部流场的重要手段。

1 计算模型的建立

1.1 物理模型

以G4-73№8D型离心通风机为研究对象,其叶轮为后向式,叶片数为12,其结构及尺寸见图1。

图1 G4-73№8D型离心式风机尺寸

应用FLUENT软件的前处理模块GAMBIT建立离心通风机的几何模型,并划分网格。由于离心通风机几何模型非常复杂,因此,采用分块网格技术和完全非结构的四面体网格,在流动梯度变化比较快的区域布置较密的网格,而梯度变化比较缓慢的区域布置稀疏网格,以减少计算量和计算成本。将风机模型分为3个流动区域,分别为蜗壳区(450056个网格),叶轮流动区(589976个网格)和集流器流动区(64256个网格)。网格总数为1104288个,见图2。

图2 G4-73№8D型离心式风机网格图

由于风机模型中同时存在叶轮动网格区和蜗壳静网格区,因此在叶轮和蜗壳之间采用MRF(Multiple Reference Frame)——多重参考系模型进行耦合,其中压力—速度离散采用SIMPIE算法,湍流动能、湍流耗散项、动量方程都采用一阶迎风差分格式。

MRF 模型将风道内流场计算简化为叶轮在某一位置的瞬时流场,采用稳态方法计算非稳态问题。转子区域的网格在计算时保持静止,在惯性坐标系中以作用的哥氏力和离心力进行定常计算;而定子区域是在惯性坐标系里进行定常计算。在两子区域的交界面处,通过将速度换算成绝对速度的形式进行流场信息交换,保证交界面的连续性。

1.2 叶片加长的模型

加长叶片是在每个叶片的外缘,接上一段所需要的单板叶片,其工作面要与原叶片的弧面交接保持平衡。该风机的叶轮和蜗舌之间有100mm的距离,要使蜗壳不发生变动,叶片加长要保持在100mm之内。沿叶轮叶片出口角方向加长20mm和40mm,图3和图4为叶片加长前后的比较。

2 数值模拟

气流由集流器进入叶轮,叶轮的叶片对流体沿着它的方向做功,从而使流体的全压增加。叶片长度增加,叶轮做功能力提高,致使气流静压和动压增加幅度加大,使风机全压增大。

图5和图6是离心通风机轴截面总压等值线图。从图上看出,叶片加长后风机叶片部分总压迅速提高,等压线密度加大,叶轮出口气流流速加快,致使整个风机内总压提高,在数值上,叶轮出口处总压由2200 Pa提高到2700 Pa,风机内部流场的总压也达到2500Pa。

图7 风机叶轮加长前、后的总压填充图

图7为风机叶轮总压的填充图,叶片尖端压力变化加快,压力迅速提高,导致风机全压上升,风机出力明显提高。

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟结果与切割定律的比较

利用FLUENT软件对G4-73№8D型离心通风机叶片加长前、后的12个工况点进行的数值模拟。对风机叶片加长前、后的运行工况进行比较分析。为了结果更加准确,分别对叶轮叶片进行D=840 mm和 D=880 mm 两次加长。

图9为叶片加长前、后风机效率曲线的对比图。对风机进行叶片加长,虽然风机的出力迅速提高,但不可避免的是风机效率的下降。从图中看出,风机改造后效率虽然有所下降,但下降范围控制在10%,在承受的范围之内,对风机叶片进行加长来提高风机出力是可以实行的。

4 结论

通过对G4-73№8D型离心式通风机的数值模拟计算,比较了叶片加长前、后的内部流场变化,数值模拟结果表明:叶片加长后风机全压迅速提高,说明离心通风机的叶片加长是迅速提高风机出力的有效措施。通过两次叶片加长的数值模拟,比较叶片加长前、后的性能曲线,把握风机叶片加长的规律,为风机性能的改造提供理论依据。

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