电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性分析

程翠丽

中国电建集团透平科技有限公司

摘要：在火力发电厂中风机属于关键辅机，现如今轴流风机因自身能耗低、效率高等方面的优势应用广泛。在实际运行时，很多电厂会由于轴流风机动叶异常偏转而影响风机的失速特性。基于此，本文将分析电站轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的叶轮应力特性，希望借此增进相关人员对电站轴流风机的了解程度，更好地保障轴流风机运行稳定性和安全性。

关键词：叶轮应力特性；失速状态；电站轴流风机；动叶异常偏转

前言：电站轴流式风机动叶异常偏转与失速会对电站锅炉正常运转产生影响，严重时会导致电站无法正常运行。通过了解国内外现有研究成果可知，国内外学者很少研究电站轴流式风机动叶异常偏转和失速问题，为了加深从业人员对电站轴流式风机的了解，下边笔者将研究失速工况下动叶异常偏转风机的叶轮应力特性。

1、电站轴流式风机失速概述

以轴流式风机来讲，当其存在固定的调节叶片角度时，在正常情况下当不断减少轴流式风机流量时压力会增加。在轴流式风机流量降低到一定程度时会达到最大压力值[1]。倘若其流量处于不断减少状态下，有很大几率出现突然降低运行电流和压力的问题，同时会产生噪音和振动现象，此种情况被相关人员叫做轴流风机失速。在轴流风机实际运行过程中，若是其出现0以上的冲角，同时超出一定临界值时，将会在很大程度上影响叶片背面气流流动情况，在叶片背面尾端将有涡流区出现，也就是失速现象。电站轴流风机失速情况如图1所示。

图1 电站轴流风机失速示意图

2、数学模型

2.1 计算模型和网格划分

在本次研究中笔者将以某电厂引风机为研究对象建立三维模型，其主要包括六个组成部分，分别为出口扩散筒、二级动叶轮、二级静叶轮、一级静叶轮、一级动叶轮以及入口集流器，其拥有2×23导叶数目，1490r/min转速，2×24动叶片数目以及0.668轮毂比。之后分别模拟正常风机和第二级动叶轮中相邻动叶异常偏转风机的数值，在模拟过程中动叶异常偏转风机选取了+9°偏转角。同时，经检测该风机以ZL101为叶片材料，此种材料可达到180MPa屈服强度，6.9×1010弹性模量，0.31泊松比，2660km/m3密度。

使用Gambit软件划分轴流风机分块网格，针对其六个组成部分实施网格划分，将interface设置在静叶轮和动叶轮之间完成数据交换，因为叶轮内部拥有较为复杂的流动，所以在叶片的吸力面和压力面使用尺寸函数加密网格[2]。最终获得了如图2所示的固体域网络模型，利用Ansys自身配备的网格划分模块，以具有10个节点的Solid187单元作为网格单元，可以完成复杂形状模拟，设置18mm单元大小，可获得30万左右单元数，47万左右节点数。

图2 固体域网络模型

2.2 数值计算

在本次研究中选择Realizable k-ε方程、连续性方程、N-S方程作为数值模拟控制方程。出于提升计算精度和满足计算资源节约要求的目的，在数值模拟过程中使用双方程湍流模型。运用有限体积法离散，使用二阶迎风差分格式完成扩散和对流项。选用Realizable k-ε模型作为湍流模型，能够使二次流、旋转流动、流动分析等情况得到准确展现。

将压力入口和压力出口分别设定为风机集流器入口和扩压器出口。设定0MPa入口压力，在稳态计算过程中确定出口压力，当非稳态计算时将节流阀模型加载到出口，在开展迭代工作时使用编译的UDF程序，设置0.000839s迭代步长。稳态计算期间，使用MRF模型反映动叶轮区域实际情况，非稳态时选择滑移网格模型，设定1490r/min转速。在开展模拟工作时，首先不断提升出口压力，确定稳态情况下最大背压的收敛解，之后以稳态结果为依据开展非稳态计算，将节流阀开度逐渐降低，当风机转变为失速状态后结束。

3、结果与分析

在失速工况下仅加载气动力荷载时正常叶轮出现了显著的应力分布集中现象，应力主要在50%叶高和压力面前缘集中，出现了8.51MPa最大应力值，之所以会出现此种现象主要是因为在失速工况中会有一个稳定的失速团产生，在更大程度上扰动了流道内流体。与失速团流道距离较远的其他叶片应力集中消失，70%叶高附近都会变成叶顶低应力区。相较于正常叶轮，动叶偏转+9°的叶轮存在基本相同的失速团位置，拥有7.93MPa最大应力值，应力集中问题主要出现在异常叶片吸力面中间部位和压力面前缘，此种情况证明了异常叶片虽然在一定程度上帮助叶轮免受失速团的影响，将最大应力值控制在较低程度，然而异常叶片自身的应力集中问题变得更为严重[3]。

在失速工况下同时加载离心力荷载和气动力荷载时，正常叶轮存在34.50MPa的最大应力，但是也降低了叶轮周向不均匀性，主要是由于离心力存在径向发展的荷载方向，而气动力荷载则与叶片表面垂直，在同一平面内两者呈现出垂直状态，在很大程度上影响了叶片分布情况。出现失速团的叶片高应力区范围较大，与失速团距离较远的叶片则具有较低应力集中程度。动叶异常偏转的叶轮在进入失速状态后将会在失速团不断发展的过程中持续提升最大应力值，当到达55.93MPa后趋于稳定，与正常叶轮相比存在62.1%增幅，扩大了叶顶低应力区，有范围较小的高应力区存在于压力面叶根处与吸力面前缘。

以上研究的是ZL101材料的叶轮，在分析校核风机叶轮强度的过程中应用了第四强度理论。在充分考虑表材料力学性能的基础上，材料拥有180MPa最大屈服度，在静力分析过程中一般弹性结构可控制1.5-2安全系数，在实际操作中取2为安全系数。利用许用应力计算公式开展计算工作，最终得到材料具有90MPa许用应力。对异常叶轮和正常叶轮的精力分析结果进行对比，发现了在失速工况下两者均具备比许用应力更低的最大等效应力，静强度满足相关要求。

结束语：

    1）通过分析叶轮流固耦合情况可知，当轴流电机处于失速状态且仅存在加载其动力荷载时，相较于正常叶轮，异常偏转叶轮存在较低的最大应力值，证明了异常偏转叶轮可以将失速团导致的启动荷载扰动控制在更低程度，但是也会在异常叶片位置出现更为严重的应力集中问题。

    2）当失速工况下同时实施离心力荷载和气动力荷载加载时，相较于仅加载气动力荷载，其明显具备更高的等效应力值，证明了离心荷载是影响叶轮上应力分布的主要因素。与正常叶轮相比异常偏转叶轮明显拥有更大的最大等效应力值增加幅度，说明了叶轮异常偏转会致使叶轮安全系数降低。

参考文献：

[1]吕从鹏,王瑜,王绩德.轴流风机振动超标问题的分析与处理[J].设备管理与维修,2023,23(01):52-53.

[2]姜晨龙,朱兴业.轴流风机结构优化设计及内部流动特性分析[J].排灌机械工程学报,2022,40(07):707-713.

[3]栾长伟.电站锅炉轴流式风机失速问题研究[J].科技风,2019,15(32):149.