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轴流风机的物理模型

某600 MW机组配套的两级动叶可调轴流一次风机，流体计算域包括从集流器到扩压器的内部通道，固体计算部分为叶轮叶片部分。原风机每级导叶数目为23片，改造方案围绕导叶数目进行。风机动叶片和导叶片数目通常是互质的，可以减少上游气流对下游的冲击，减少气流脉动及噪声。改造方案成组减少或者增加导叶片，其中导叶数目减少为方案一至方案三，导叶数目增加为方案四至方案六。基于轴流风机轴向可以分区的结构特点，轴流风机采用分区法将流体计算区域划分为集流器区、第1级动叶区、第1级导叶区、第二级动叶区、第二级导叶区和扩压器等6个部分，因为动叶区内流动较复杂，故采用尺寸函数对动叶区进行加密，而其他区域采用较为稀疏的网格。在模拟中进行了网格无关性验证，轴流风机分别采用260万、380 万、560 万和820 万等网格数对风机气动性能进行计算，在保证较好的计算精度和计算成本的前提下，确定网格数为560万，在此网格数下时间成本和模拟精度好。运动方程为三维定常雷诺时均N-S 方程，采用可有效解决旋转运动和二次流的Realizable k－ ε湍流模型，轴流风机的动叶区采用多重参考系模型。在数值模拟中，以集流器入口和扩压器的出口作为整个计算域进出口，边界条件为进口速度和自由流出。进出口流量残差小于10－ 5，各方向的速度及k、ε 等参数的残差小于10 － 4，认为当前计算达到收敛要求。

比较两种叶轮的振动模态，可以看出，每种叶片的低阶模态都表现出从叶片顶部到根部的弯曲变形，高阶模态是叶片两侧的扭转变形。轴流风机叶轮各级的形状变形和较大变形都在叶片顶部，叶片角度可调的叶轮的叶片变形相对较大，因为其材质为尼龙66，刚度小于Q235，更容易变形。叶片角固定叶轮的叶根与轮毂固定，叶根与轮毂相对稳定，基本无变形。由于叶片角度可调叶轮增加了角度调节机构，使得叶根弯曲变形和扭转变形较小。轴流风机实验采用了力锤激励、加速度传感器采集信号、LMS数据采集与处理等方法。该测试的主要过程包括：支持被测对象、选择激励方案、布置传感器、确定输入通道、建立测试模型和与通道相关、确定分析带宽、测量和保存数据。由于轮毂变形基本为0，轴流风机叶轮，轴流风机叶轮通过柔性弹性绳悬挂在轮毂上进行测量。振动方式选择力锤激振，固定锤击点，移动传感器测量。由于叶片的明显变形，轴流风机，每个叶片顶部和根部有两个测量点，轴流风机厂，叶片下方轮毂有一个测量点，每个叶轮有50个测量点。建立合适的圆柱坐标系，测量各测点的相对坐标，建立测试模型。传感器布置完毕后，超静音轴流风机，测试通道与模型中相应的测量点相关联。通过力锤激励收集数据。同样的方法依次测量每个叶轮的50个测量点。在PolyMax输入模块中选择已有的fr集，在高层稳态图中选择符号较多的列，即阻尼频率、频率和模向量稳定性。

（1）当导叶数减少时，随着导叶数的增加，轴流风机的性能优于风机。采用21个导叶的方案3是较佳方案，有效地提高了总压效率。改造后的轴功率略有增加，方案3的功耗有所增加。

（2）当流场数据加载到固体区域表面时，叶片的应力、总变形和固有频率基本不变。离心力对叶片的强度和振动起着决定性作用，而空气动力对其影响不大。叶片的工作转速远低于一阶临界转速，不会发生共振。

（3）综合考虑方案3风机性能、轴功率、强度、振动分析结果，减少一套导叶，也可降低设计制造成本。减径导叶方案3对实际生产和改造具有一定的参考意义。叶尖间隙对动轴流风机实际失速线的影响。

结果表明，轴流风机叶顶间隙过大，使风机实际失速线与理论失速线有较大偏差。实际失速线向下移动，会造成较大的负效率偏差。详细描述了试验过程，分析了操作点在性能曲线上的位置。Zui后通过接近失速试验确定风机的实际失速线位置。通过引入相关系数，研究了叶尖间隙与失速点压力偏差、效率偏差的关系。轴流风机叶顶间隙与失速点的相对压力偏差相关系数为-0.99，即叶顶间隙越大，实际失速线与理论失速线的偏差越严重，实际失速点的负压偏差越严重。叶顶间隙与效率偏差的相关系数为-0.93，即叶顶间隙越大，负效率偏差越大。

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