摘要 ： 采用 CFD 和 CAA 方法對(duì)可逆轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值模擬，分析了 3 種葉片翼型對(duì)風(fēng)機(jī)性能和噪聲的影響，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及分析得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞 ： 軸流式通風(fēng)機(jī)；可逆轉(zhuǎn)翼型；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào) :TH432.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B

文章編號(hào) :1006-8155(2008)06-0011-03

Numerical Simulation on the Reversible Axial-flow Fan with Different Airfoils in Subway

Abstract: In this paper, 3-D numerical simulation is carried out on reversible axial-flow fan to predict flow field and sound field using CFD and CAA technology in order to analyze the effects of three types of airfoil on the performance and noise of the fan. A conclusion will be gained according to the result and analysis of the numerical simulation.

Key words: axial-flow fan; reversible airfoil; numerical simulation

0 　引言

　　目前，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，大城市的交通運(yùn)輸壓力日趨嚴(yán)峻。為了緩解地面交通運(yùn)輸?shù)膲毫�，地鐵作為一種新興高效的運(yùn)輸方式在各大城市紛紛面世。

　　地鐵建于地面之下，所有通風(fēng)幾乎都靠風(fēng)機(jī)來完成。由于地鐵隧道在日常通風(fēng)、列車阻塞與火災(zāi)排煙時(shí)風(fēng)機(jī)需正反轉(zhuǎn)送風(fēng)，并且正反轉(zhuǎn)送風(fēng)的風(fēng)量 Q 與全壓 p 的大小要基本保持一致。因此，地鐵隧道通風(fēng)工程配置了大量的可逆轉(zhuǎn)式軸流通風(fēng)機(jī)。

　　可逆轉(zhuǎn)軸流通風(fēng)機(jī)要保證在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)工況下都具有相同或相近的風(fēng)機(jī)性能，故對(duì)其葉片的翼型就有著特殊的要求—在正向和逆向送風(fēng)時(shí)，翼型都能提供良好的氣動(dòng)性能。尋找一種更好地滿足這一特殊要求的可逆翼型對(duì)提高地鐵風(fēng)機(jī)效率和降低噪聲有著重要的實(shí)用價(jià)值。本文借助商用軟件

　　FLUENT 對(duì) 3 種可逆翼型的地鐵軸流通風(fēng)機(jī)分別進(jìn)行了整機(jī)三維流場(chǎng)和聲場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，通過對(duì)比分析，確定采用哪一種翼型更適合地鐵可逆轉(zhuǎn)軸流通風(fēng)機(jī)。

1 　算例

　　以某 10 號(hào)地鐵風(fēng)機(jī)為算例，圖 1 為葉輪圖，其幾何參數(shù)：葉輪直徑 1000mm , 輪轂比 0.5 ，葉片數(shù) 12 ，沿葉片徑向取 5 個(gè)剖面，各剖面參數(shù)見表 1 。

　　根據(jù)地鐵可逆軸流通風(fēng)機(jī)翼型的使用要求，其中弧線不應(yīng)是一般翼型的中弧線。一般翼型的中弧線具有單個(gè)拱形形狀，而可逆翼型的中弧線應(yīng)是“ S ”形，即翼型前部向上拱，翼型后部向下拱，中弧線成“ S ”形狀 [1] 。因?yàn)橹挥羞@種形狀才能使在同一迎角下，正向和逆向運(yùn)行時(shí)繞過翼型頭部的流動(dòng)都比較“順流”、相似。具有這一翼型的特性常見形式有 3 種： S 形機(jī)翼翼型、 S 形圓弧板翼型和平直板翼型。 3 種翼型的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。算例中， S 形機(jī)翼翼型采用 REVER18 ，其截面尺寸列于表 2 。算例中的 S 形圓弧板翼型與 REVER18 具有相同中弧線。

　

　　為了使計(jì)算結(jié)果具有可比性，保持上述葉輪幾何參數(shù)及各剖面安裝角和弦長(zhǎng)不變，翼型分別采用 S 形機(jī)翼翼型、 S 形圓弧板翼型和平直板翼型。通過數(shù)值模擬研究以上 3 種翼型對(duì)風(fēng)機(jī)性能和噪聲的影響。

2　 數(shù)值模擬

2.1 流場(chǎng)數(shù)值模擬

　　采用有限體積法離散控制方程 , 對(duì)風(fēng)機(jī)的三維定常流場(chǎng)進(jìn)行分離式隱式求解。計(jì)算采用 標(biāo)準(zhǔn) k- ε兩方程紊流模型，近壁區(qū)的流動(dòng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) , 差分格式為二階迎風(fēng)差分格式 , 壓力 - 速度耦合采用標(biāo)準(zhǔn) SIMPLE 算法求解 [2] 。

　　計(jì)算模型采用商用

>湖北新冶鋼某煉鋼廠70t交流電弧爐。除塵器工程采用布袋式除塵器，最大除塵風(fēng)量160000 m3／h。
　　　　電爐的煉鋼周期為70~85分鐘，其中裝料5~8分鐘，送電熔化20~25分鐘，吹氧25~28分鐘，還原期12~16分鐘，沖渣出鋼5~7分鐘。在不同的生產(chǎn)工藝階段，電弧爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時(shí)廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚(yáng)塵，需要的除塵風(fēng)量不大，要求粉塵不擴(kuò)散，不污染電爐周邊工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時(shí)，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài)，要求煙塵能夠及時(shí)排出，又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間，不僅要求除塵工程能夠及時(shí)迅速地將爐口大量棕紅色的煙氣和粉塵排走，又必須保證爐體有合適的吹煉溫度，確保終點(diǎn)溫度。因此，對(duì)除塵工程要求較高。進(jìn)入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時(shí)，主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸汽和少量廢氣。
　　　　通過對(duì)冶煉工藝的分析：電弧爐在煉鋼過程的不同階段對(duì)除塵風(fēng)量的大小有明顯的不同，以吹氧冶煉為最大，加料除塵為最低。通過對(duì)電弧爐除塵工程中除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式和過程的分析，對(duì)除塵風(fēng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)于下方案。
　　
　　*設(shè)備參數(shù)：
　　——風(fēng)機(jī)參數(shù)
　　
　　風(fēng)機(jī)型號(hào)： AY-FR2760
　　流量：160000m3/h
　　風(fēng)壓：3500Pa
　　軸轉(zhuǎn)速：730r/min
　　軸功率：1470Kw
　　
　　——電機(jī)參數(shù)
　　
　　電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YKS650-8
　　額定電壓：：6000V
　　額定電流：189A
　　額定轉(zhuǎn)速：736r/min
　　
　　——變頻器技術(shù)指標(biāo)
　　
　　型號(hào)：SH-HVF-Y6000/2000
　　額定容量：2000kVA
　　輸入電壓：6000V
　　輸出電壓：0~6000V
　　額定電流：200A
　　輸出頻率：0~50Hz
　　
　　*工程電氣構(gòu)成
　　　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝情況，選用湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研究開發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻器作為主件，該變頻調(diào)速工程具有諧波含量小，功率因數(shù)高、模塊化結(jié)構(gòu)、可靠性高等特點(diǎn)。除塵風(fēng)機(jī)電氣工程的主接線結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。6kV電源通過母線段網(wǎng)側(cè)高壓開關(guān)DL接入工程，采用多重化移相干式隔離變壓器進(jìn)行電源側(cè)電氣隔離，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；變壓器輸出經(jīng)功率柜逆變輸出后直接驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)量的控制。為保證整個(gè)除塵風(fēng)機(jī)工程可靠性，工程設(shè)計(jì)中我們還采用工頻旁路。當(dāng)工程變頻運(yùn)行時(shí)，斷開隔離開關(guān)K3，合隔離開關(guān)K1、K2。K2與K3之間還設(shè)計(jì)了機(jī)械互鎖，在變頻器運(yùn)行時(shí)絕對(duì)保證K3不可以誤合閘。在變頻運(yùn)行時(shí)，由遠(yuǎn)程PLC起停變頻器；轉(zhuǎn)速由微機(jī)控制工程給定，實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量控制。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，工程切換至原工頻運(yùn)行方式；斷開隔離開關(guān)K1、K2；合隔離開關(guān)K3。由原除塵工程啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，入口擋板控制風(fēng)量。

　　工程接線圖2
　　
　　*工程控制方案
　　
　　由不同工藝階段的煙氣溫度有明顯差異，因此溫度的高低直接反映了電爐的運(yùn)行工況。工程并沒有采用檢測(cè)電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風(fēng)量，而是采集煙道溫度作為工程調(diào)節(jié)的基本參量，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和綜合輸出4~20mA電流作為高壓變頻器的頻率給定信號(hào)工程控制。同時(shí)，以吹氧量和冷風(fēng)門開度作為除塵風(fēng)量的修整參量，從而提高工程響應(yīng)速度、改善控制品質(zhì)、達(dá)到良好的除塵效果、實(shí)現(xiàn)除塵風(fēng)量自動(dòng)控制、降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工程效率，達(dá)到最佳的節(jié)電效果。具體的控制邏輯見圖三所示。

　　　　為了保證工程的可靠性，另外增加了除塵風(fēng)量手動(dòng)控制回路，對(duì)除塵風(fēng)量的控制采用分段調(diào)速的方式由爐前操作臺(tái)控制變頻運(yùn)行的頻率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況下的風(fēng)量調(diào)節(jié)�？刂七壿媹D如圖四所示。

　　實(shí)踐證明：工程在設(shè)計(jì)了兩套控制方案后大大提高了工程的實(shí)用性和可操作性，很好的滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。同時(shí)，在改善現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。

　　工程特點(diǎn)：

　　變頻調(diào)速技術(shù)在電爐除塵工程中應(yīng)用后，主要體現(xiàn)了以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　1、提高了功率因數(shù)，大大降低了起動(dòng)電流（起動(dòng)電流從1200A左右降到不足30A），實(shí)現(xiàn)了最佳的軟起動(dòng)。
　　2、除塵設(shè)備功耗隨電爐煉鋼生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行，提高了工程效率；取得顯著的節(jié)能效果。
　　3、降低了除塵工程用電負(fù)荷，減少了直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊，同時(shí)也減少了對(duì)電機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)了除塵器、除塵布袋、除塵風(fēng)機(jī)、除塵電機(jī)、煙道等設(shè)備的使用壽命。
　　4、對(duì)降低爐內(nèi)熱量損失，合理控制過程溫度，做到爐溫控制的最優(yōu)化。
　　5、對(duì)除塵工程進(jìn)行變頻改造，縮短煉鋼時(shí)間，提高鋼的品質(zhì)。

　　節(jié)能分析：

　　為了對(duì)除塵工程變頻改造后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在工程投入正常運(yùn)行1個(gè)月后對(duì)設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測(cè)定和數(shù)據(jù)分析。

　　對(duì)變頻改造后的節(jié)能情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,將除塵風(fēng)機(jī)切到工頻連續(xù)運(yùn)行72小時(shí)，統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間的耗電量和煉鋼量;再將除塵風(fēng)機(jī)切到變頻工況下連續(xù)運(yùn)行，按同樣的方法統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間的耗電量和煉鋼量。

　　表1

　　變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行對(duì)比

　　表2

　　通過對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析處理，我們可以得出于下結(jié)論：除塵工程在變頻改造后，功率因數(shù)從0.83左右提高到0.973;噸鋼除塵電耗降低了16.4kW·h，設(shè)備節(jié)電率高達(dá)59.3%，平均每年可節(jié)電660萬kWh，按結(jié)算電費(fèi)0.35元/ kWh計(jì)算，每年節(jié)能效益達(dá)230萬元，值得大力推廣。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1> 沈才芳等編著．電弧爐煉鋼工藝與設(shè)備（第2版）．北京：冶金工業(yè)出版社，2001
　　[2> 湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司 SH-HVF系列高壓變頻器手冊(cè)

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