干燥窯風機貨真價實「山東冠熙」

為了探索大負荷大流量風機的關鍵氣動設計技術和內部流動機理，本文設計了一臺干燥窯風機，其壓力比為1.20，負荷系數為0.83。詳細研究了流量系數、反力等設計參數的影響規律，給出了相應的選擇原則。通過三維流場的數值分析，修正了求解S2流面過程中的損失，并通過迭代得到了初步設計方案。分析了葉片負荷調節、葉片彎曲和葉片端部彎曲對葉柵流動、級匹配和級性能的影響，給出了高負荷軸流風機三維葉片設計的基本原則。同時，開發了S1流面協同優化方法，取得了較好的效果。降低了定子損耗，增大了風機裕度。高壓風機的設計通常采用離心風機，但離心風機存在迎風面積大、流量小、效率低等缺點。針對大流量、高壓力比、率的設計要求，如何完成單級軸流設計成為研究的重點。長期以來，軸流風機的設計方法得到了發展。從孤立葉型法、葉柵法、降功率法到目前廣泛采用的準三維、全三維氣動設計方法，甚至到S1流面葉型優化[6]、三維葉型優化、干燥窯風機三維葉型技術，已經有了大量的研究工作。用于提高設計方法的準確性和快速性。以率、高負荷為設計目標，通過合理選擇總體參數，優化了干燥窯風機流面葉片的初步設計和三維疊加，實現了軸流風機的氣動設計。

從干燥窯風機的一般參數出發，通過一維徑向參數和子午向徑向參數的設計，得到了初步設計方案的性能預測和幾何參數。初步方案利用現有的標準葉片型線對三維葉片進行幾何建模，通過求解三維穩定流場對初步設計方案進行驗證。這是因為當氣流通過葉柵時，從吸力面到相鄰葉片壓力面的離心力沿葉片高度逐漸增大。一維參數設計主要是求解平均半徑氣動參數的控制方程。采用逐級疊加法對多級壓縮系統進行了氣動計算。同時調整了干燥窯風機相應的攻角、滯后角和損失模型。后，得到了平均半徑和子午線流型下的基本氣動參數。計算中使用的損失和氣流角模型需要大量的葉柵試驗作為支撐。現有的實驗改進模型包括經典亞音速葉片型線NACA65、C4和BC10，基本滿足了風機的初步設計要求。為了準確、快速地得到初步設計方案，將現有的經典葉片型線直接用于一維設計和初步設計。當設計負荷超過原模型時，采用MISES方法對S1流面進口斷面進行分析，得到初始滯后角，如本文對高負荷風機的設計。在S2流面設計中，干燥窯風機采用流線曲率法對S2流面進行了流量計算。為了簡化計算過程，將計算假設為無粘性和恒定絕熱，忽略了實際渦輪機械中的三維、非定常和粘性流動特性，引入了葉排損失來表示葉柵中流體粘度的影響。通過三維流場的數值分析，修正了求解S2流面過程中的損失，并通過迭代得到了初步設計方案。

GAMBIT軟件用于干燥窯風機模型建立和網格生成。考慮到干燥窯風機葉片翼型結構的復雜性和頂部區域的三維流動，首先選擇三角形網格劃分葉片頂部，并利用尺寸函數對網格進行細化，以保證干燥窯風機網格質量。為了探索高效大負荷大流量風機的關鍵氣動設計技術和內部流動機理，本文設計了一臺干燥窯風機，其壓力比為1。其它區域的網格劃分為動葉區域網格作為參考，采用結構化/非結構化混合網格。為了保證精度和網格獨立性，對原風機在216萬、245萬、286萬和337萬網格條件下的性能進行了模擬。結果表明，隨著網格數量的增加，總壓和效率逐漸接近樣本值，337萬和286萬網格的總壓和效率偏差分別為0.085%和0.024%。綜合模擬精度和網格數確定了所用的總網格數。這個數字是286萬。其中動葉面積198萬片，集熱器、導葉面積和擴壓管網格數分別為30萬片、26萬片和32萬片。在模擬葉尖間隙形狀的變化之前，將原始風扇的模擬結果與參考文獻中的干燥窯風機性能進行了比較。結果表明，在33.31-46.63m3_s-1流量范圍內，總壓和效率的平均相對誤差分別為3.0%和1.5%，表明結果能夠反映風機的實際性能。

干燥窯風機葉尖渦度的增大可以有效地阻礙泄漏流的通過，使干燥窯風機泄漏流與主流混合造成的損失減小，葉片前緣泄漏量的增加小于中、后緣泄漏量的增加。總體上，漏風量減少，提高了風機的性能。減輕了主流與泄漏流的相互作用，削弱了泄漏渦的強度，增強了葉片中上部的流動能力，增加了獲得的能量。這與參考文獻中得到的前、后緣對干燥窯風機總壓損失系數的影響是一致的。隨著間隙的逐漸增大，葉頂前部的渦度強度增大，后緣的渦度強度減小，總體變化較小，泄漏量略有增加。葉片吸力前緣中部渦度強度略有增加，沿弦長方向吸力面中部和后部渦度強度基本不變。干燥窯風機葉片前緣附近的渦度強度急劇增加。這是由于前緣點高度的變化導致的葉尖流動角度的變化。前緣點渦度強度的增加阻礙了吸力面附近的流入，也降低了主流與泄漏流的混合程度。雖然方案6的進風速度有所降低，但由于葉頂和后緣附近的渦度強度降低，干燥窯風機效率總體降低，相應的泄漏面積和泄漏流量增大。軸向速度分布可以反映轉子葉片流道內的流動能力和分離尾跡區的特征。因此，轉子葉片出口軸向速度分布的徑向分布如圖6所示，用于分析流量。由于葉根和葉頂端壁附件的附面層較厚，導致流體流過該區域后的軸向速度較小，而葉頂附件又因泄漏存在使軸向速度進一步減小。