加载气动力、离心力后计算得到轴流风机导叶数目变化后动叶的应力基本没有影响,动叶吸力面的近叶顶部位等值线沿叶高方向近似呈倒S分布且应力较小;叶根部分布应力较为复杂,较大值位于叶根中部与轮毂接触位置,此处是由于承受较大的径向离心力、垂直于轴流风机叶片表面的气动力和扭曲的叶型结构共同作用造成;第1级等效应力稍微高于第二级等效应力,这是由于离心力沿径向,而气动力垂直于叶片表面,气动力的作用效果抑制离心力作用效果造成的,但气动力作用效果影响较小;总变形近似沿对角线方向由小到大发生变化,轴流风机叶根处变形基本为零,较大值变形位于叶顶后缘。由此可知导叶数目变化后,高湿高温轴流风机,对叶片总变形基本没有影响。
轴流风机在静应力强度分析中,通常选取材料的屈服极限作为极限应力,基于第四强度理论对叶片进行强度校核。塑性材料的许用应力[σ]=σs /ns,其中σs是材料的屈服极限,ns为材料的安全系数,一般对于弹性结构材料加载静力载荷的情况下,防腐轴流风机,ns = 1.5 ~ 2。叶片材料为ZL101,其屈服强度σs = 180 MPa,ns = 2,计算叶片的许用应力为90MPa,而叶片较大等效应力的峰值为21. 3MPa,远小于叶片许用应力,改型后方案三强度仍满足要求。在叶片刚度方面,前面分析知,气动力作用效果对离心力效果有抑制作用,方案三全压相对于原风机有所增大,轴流风机,较大变形有所降低。
由于轴流风机动叶片是扭曲叶片,网格单元选用带含有10 个中间节点的四面体实体单元Solid187。分别采用20 万、30万、55 万和60 万网格计算后,选择设定单元大小15 mm,生成网格单元数量为30万、节点数量45万,在计算时间和计算精度上Zui为合适。对叶片叶根部位施加固定约束,叶片整体施加离心力惯性载荷,对轴流风机叶片表面施加气动压力载荷,其中气动压力载荷是流体计算得到的压力数据,采用流固弱耦合的方式加载到叶片表面,在模拟轴流风机运行范围内,模拟所得全压、效率与试验样本值的平均偏差分别为4.2%、1. 8%,特别是在设计流量下为3. 4%和2.2%,由此可确保数值模拟的真实可靠性,模拟结果可反映该风机的实际运行状况,并且可以用于固体域的流固耦合模拟计算。
轴流风机的导叶数目改变后整体上不影响风机性能的变化趋势,全压随流量增大而减小,效率呈现先增后减的变化。qv表示风机体积流量,导叶数目减少时,在qv < 90 m3 /s时全压均得到提高,在高于此流量时仅方案二全压低于原风机,其中在导叶数目减少后,流量越小提升作用越明显,方案三在qv = 80 m3/s时,全压提升效果Zui明显,提升数值为141 Pa。轴流风机导叶数目增加时,在qv < 85 m3 /s时,方案四至六全压得到有效提升,而qv > 85 m3 /s 时,仅有方案四全压得到提升。
轴流风机以其高效和易调节等优点已成为燃煤发电机组的送、引和一次风机的优选。叶片是轴流风机的核心部件,决定风机的性能;而导叶是轴流风机中重要的流通部件,其气动设计直接影响上下游流通部件的特性。研究表明,轴流风机的叶轮机械内的流固耦合现象与流体机械各种故障的产生有直接关系。借助流固耦合的方法对导叶数目变化后风机叶片的静力结构及振动进行研究具有重要的现实意义和工程价值。导叶结构、数目和安装角度对提高流体机械的性能、降低轴流风机噪声和减轻振动具有明显影响。利用试验对轴流泵有无导叶时的外特性进行测试,表明在较优工况下导叶可回收的旋转动能约占叶轮出口总能量的15.7%,验证了导叶对提高能量利用率的作用。
模拟轴流风机导叶数
目不泵内的压力脉动特征,指出导叶数变动对导叶区流域及其下游流域的压力脉动具有一定影响,而对上游叶轮流域的流动影响则较小。利用数值模拟方法对导叶与叶轮匹配进行研究,表明导叶数目增加后模型压力提高329Pa,轴功率降低1.2 kW,效率提高6%。模拟了轴流风机后导叶改变对风机性能的影响,表明导叶数目减少4 片后全压提升5. 4 Pa,效率提高0.8%。
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