李 剑， 刘宏凯， 童家麟， 叶学民

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院， 浙江 杭州 310014； 2.华北电力大学 动力工程系， 河北 保定071003）

0 前言

具有效率高、流量大、噪声小、启动转矩小及调节特性好等诸多优点的动叶可调轴流风机已成为现代大容量发电机组中锅炉送、 引风机及一次风机的主要选择， 两级动叶可调轴流风机因有两级叶轮可提高更高出力而广泛用于600～1 000 MW机组中。后置导叶作为轴流风机重要的流通部件，将来自动叶圆周速度的动能转化为可供利用的压能，并利用其扩散减速作用，将部分轴向速度的动能转化为压能，从而改善内流特征、提高效率和运行稳定性[1]。 因此，深入研究导叶对两级动叶可调轴流风机性能的影响具有重要意义和参考价值。

温选锋[2]讨论了离心式压气机中进口导叶与叶轮间不同轴向距离对性能的影响， 指出轴向距离对压气机性能影响不大， 其主要原因是未改变导叶产生的预旋作用。 冀春俊[3]对于离心式压缩机进口导叶的叶型进行了研究， 指出叶型改变前后的功耗和效率变化不大，但调节范围拓宽，导叶越弯调节范围越大。 贾玲[4]对于管式斜流风机后导叶进行了数值设计和优化， 指出增加导叶数可改善导叶后流动，但在增大摩擦损失的同时，制造成本也上升。 孟丽[5]优化轴流风机后导叶的三维数值模拟显示， 导叶数目减少4 片后全压提高了5.4 Pa，效率提高了0.8%。 叶学民[6]分析了第一级导叶型式对某两级动叶可调轴流风机的影响，指出长短复合式导叶的单级扩压性能及整机气动性能均优于单一叶片式导叶。

上述关于导叶数目和结构的研究主要集中于泵、压气机等流体机械，而对于大型轴流风机则关注较少。两级动叶可调轴流风机具有两级叶轮，整体性能进一步提高，其内部流动更加复杂，两级叶轮间的气动耦合更加强烈， 而有关该类风机的导叶数目对风机性能影响的研究尚未报道。为此，本文采用Fluent 软件对两级动叶可调轴流风机导叶数目变化前后的性能进行三维模拟， 并分析气动性能和内流特征变化，为其结构优化提供参考。

1 数值计算方法

1.1 物理模型

本文所选的两级动叶可调轴流风机为某600 MW 机组配套的一次风机， 其内部结构如图1所示。 计算区域包括从集流器到扩压器的全部内流通道。 该单级叶轮有动叶24 片，叶型为24NA24，导叶数为23 片，其中第一级为长短复合式等厚圆弧板，第二级为等长度等厚圆弧板，叶轮直径为1 778 mm，轮毂比为0.672，风机总长为 6.3 m，工作转速为1 490 r/min，设计流量为82.5 m3/s。 导叶改造方案围绕两级导叶数目开展， 其中方案一到三为导叶数目减少，方案四到六为导叶数目增加，具体方案如表1 所示。

图1 轴流风机结构图Fig.1 Diagram of axial flow fan

表1 导叶改造方案Table 1 Retrofit case of guide vanes

1.2 网格划分及边界条件

基于该风机的轴向分区结构特点， 采用分区法将计算区域划分为集流器区、第一级动叶区、第一级导叶区、第二级动叶区、第二级导叶区和扩压器区。因动叶区内流动极其复杂，故采用加密网格处理，而集流器区、导叶区和扩压器区则采用稀疏网格。在模拟中进行了网格无关性验证，分别采用260 万、380 万、560 万和 820 万对风机气动性能进计算，综合考虑计算精度和计算时间的要求，确定网格数目为560 万。 结果显示，在该网格下，时间成本和模拟精度最好。在模拟过程中，导叶数变化后，风机网格数会出现2～3 万的变化，因网格基数较大，可以认为网格数基本不变。

运动方程为三维定常雷诺时均N-S 方程，湍流模型采用Realizable k-ε，该模型可有效解决旋转运动、强逆压梯度边界层流动分离、二次流及回流等情形[7]，[8]，动叶区采用多重参考系模型。 模拟过程中：将集流器进口作为整个计算域的进口，边界条件设为进口速度； 扩压器出口截面作为整个计算域的出口，设为自由流出；风机各部分之间用interface 传递数据。 当流量残差小于10-5，各方向的速度及k，ε 等的残差小于10-4时，认为当前计算达到收敛。

1.3 数值模拟的准确性

图2 为模拟结果与样本值的曲线图。 由图2可知，在模拟范围内，模拟所得全压和效率与风机厂家提供的样本数据间的平均偏差分别为4.2%和1.8%。在设计流量下为3.4%和2.2%，由此可保证数值模拟的可靠性， 模拟结果可反映该风机的实际运行性能。

图2 模拟结果与样本曲线的对比Fig.2 Comparison of simulated and experimental results

2 模拟结果与分析

2.1 性能影响

图3 和图4 为导叶数目对风机性能的影响。导叶数目改变后，性能曲线变化趋势保持不变，即随流量提高全压逐渐减小，设计点下效率最高。

图3 导叶数对风机全压曲线的影响Fig.3 Effect of guide vane number on full pressure rise curve

图4 导叶数对效率曲线的影响Fig.4 Effect of guide vane number on efficiency curve

由图3（a）可知：在导叶数减少后，全压在全流量范围内高于原风机，仅方案二，当体积流量qv>90 m3/s 时低于原风机；当qv=80 m3/s 时，方案三全压提升效果明显，约为141 Pa，随流量增大提升幅度逐渐减小；三种导叶数减少方案中，方案三全压提升效果最佳。 由图3（b）可知：当qv<80 m3/s时，导叶数增加后的全压均高于原风机；当qv＞80 m3/s 时，方案五和六的全压均低于原风机，且随流量增大全压较原风机下降更加明显。 在导叶增多方案中，方案四对于全压提升效果最好，方案六次之。

由图4 知：在低于设计流量时，导叶数不管增加还是减少，其效率均高于原风机，其中方案三最佳，在设计流量下提升0.46%，且导叶数减少方案的效率提升优于导叶数增加方案； 在高于设计流量时，导叶数增加方案的效率均低于原风机，且方案五、六随流量增大效率下降更明显；导叶数减少的方案中，方案三效率总体高于原风机，仅大流量侧略微低于原风机，提升效果较好。

上述结果表明， 方案三即两级导叶数均减少至21 片时为最佳选择，因此，本文针对方案三和原风机开展对比分析。

定义动叶区的总压升系数（ψpt）以反映整个叶轮区的做功能力。

式中：p1t，p2t分别为转子进、出口总压；ρ 为空气密度；ut为叶轮的圆周速度。

定义导叶区扩压系数（Dss）以反映整个导叶区的扩压能力。

式中：p1s，p2s分别为导叶区进、出口静压。

图5 为原风机和方案三的总压升系数和导叶扩压系数曲线图。 由图5 可知：当导叶数从23 片减至21 片时，对第一级的总压升系数和导叶扩压系数基本没有影响， 即导叶数减小不影响上游动叶的做功能力和导叶的扩压能力； 第二级叶轮的总压系数和导叶扩压系数均高于原风机， 由此提高了风机气动性能， 从而表现出图3 和图4 的风机性能提升。

图5 总压升系数和扩压系数的比较Fig.5 Comparison of total pressure rise coefficient and static pressure rise coefficient

鉴于风机选型时通常参数裕量选择过大，致使风机多运行在设计点左侧[9]，因此，方案三对中小流量下风机性能提升的优势得以发挥。同时，减少导叶数目还可降低成本，便于管理。 因此，采取两级导叶数目均减少的方案三对于可调轴流风机的设计和改造具有现实意义。

2.2 流场特征

为揭示方案三中的导叶数减少对提升风机气动性能的内在机理，本文从内流特征加以分析。

2.2.1 动叶表面上的总压分布

图6，7 分别为导叶数变化前后动叶表面上的总压分布图。

图6 原风机动叶表面上的总压分布Fig.6 Total pressure distribution of blade surface of the original fa

图7 方案三动叶表面上的总压分布Fig.7 Total pressure distribution of blade surface of Case 3

由图6，7 可知： 两级叶片的总压分布特征大体相似，压力面上的总压先降后升，在中后部位形成一高压区，呈倒三角形且面积较大，该区域也是叶片做功的主要部位[10]；吸力面上的总压分布从进口到出口逐渐升高， 因吸力面前缘处的气流不能很好地附着在翼型表面，产生了流动分离，因而在前缘附近形成一明显低压区； 由于第二级进口气体流速较快， 流体脱离叶片表面的现象较第一级相对明显， 因而其形成的低压区范围大于第一级。由于此轴流风机是后置导叶，导叶数变化对第一级动叶全压基本没有影响[图 6（a），（b）和图7（a），（b）]；而第一级导叶数减少后，进入第二级动叶前的气流速度分布更加均匀、且流道较宽、高压区较大，使第二级动叶做功能力有所增强，压力面高压区有所扩大[图 6（c）和 7（c）]；吸力面叶根前缘附近的气体脱离叶片表面现象得到一定缓解，低压区有所减小[图 6（d）和 7（d）方框部分]，尾缘处的狭长高压带面积有所增大， 使第二级动叶的做功能力较原风机有所增强、损失降低，这也从内流特征上反映了风机性能、 第二级总压升系数和扩压系数及效率提高的情况。

2.2.2 涡分布

轴流风机在工作过程中， 在叶片尾部和机壳内表面上产生涡流损失和能量耗散[11]，并由此降低风机效率。 为更清楚地显示导叶数减小后的流动和分离特征，采用Q 涡准则给出第二级导叶的涡分布（图8），图中箭头表示气流运动方向。

图8 第二级导叶流道内的涡分布Fig.8 Vortex distribution around the second guide vane

由图8 可知：A 处为来自第二级动叶近叶顶尾缘位置脱落的尾迹分离涡，强度较大；B 和C 为高速气体与机壳内壁面产生的分离涡，其中B 主要集中于导叶入口位置且分布尺度较大；D 为气体在导叶吸力面处产生的面积较大的分离涡。 气流从动叶区进入导叶区冲击弧形导叶压力面，压力面附近气体受到气流冲击作用， 产生分离涡较少， 而吸力面则产生较强的分离涡。 采用方案三后， 第二级导叶区产生的涡位置基本不变， 但B处涡强度减弱和C 处涡的尺度变小，由此减小了能量耗散， 与扩压系数升高和整机效率提高的结论相一致。

3 结论

①导叶数目是影响风机性能的重要因素。 对于两级动叶可调轴流风机， 导叶数减少后的风机性能整体高于原风机， 而导叶数增加后的风机性能未必高于原风机；采用两级导叶数目减至21 片的方案三时风机性能提升效果最佳， 在设计工况下全压提升119 Pa，效率提升0.4%，小流量侧提升效果更加显著。

②在设计工况下， 方案三动叶表面主要做功区域有所扩大，低压区域有所减少，第二级导叶区的涡分布强度减弱、尺度减小。