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山东通风降温设备不同叶片翼型可逆转地铁轴流通风机的数值模拟湖
摘要 ： 采用 CFD 和 CAA 方法对可逆转轴流风机进行三维流场和声场数值模拟，分析了 3 种叶片翼型对风机性能和噪声的影响，根据数值模拟结果及分析得出结论。
关键词 ： 轴流式通风机；可逆转翼型；数值模拟
中图分类号 :TH432.1 文献标识码 :B
文章编号 :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，随着我国国民经济和交通运输业的飞速发展，大城市的交通运输压力日趋严峻。为了缓解地面交通运输的压力，地铁作为一种新兴高效的运输方式在各大城市纷纷面世。
地铁建于地面之下，所有通风几乎都靠风机来完成。由于地铁隧道在日常通风、列车阻塞与火灾排烟时风机需正反转送风，并且正反转送风的风量 Q 与全压 p 的大小要基本保持一致。因此，地铁隧道通风工程配置了大量的可逆转式轴流通风机。
可逆转轴流通风机要保证在正转和反转工况下都具有相同或相近的风机性能，故对其叶片的翼型就有着特殊的要求—在正向和逆向送风时，翼型都能提供良好的气动性能。寻找一种更好地满足这一特殊要求的可逆翼型对提高地铁风机效率和降低噪声有着重要的实用价值。本文借助商用软件
FLUENT 对 3 种可逆翼型的地铁轴流通风机分别进行了整机三维流场和声场数值模拟计算，通过对比分析，确定采用哪一种翼型更适合地铁可逆转轴流通风机。
1 算例
以某 10 号地铁风机为算例，图 1 为叶轮图，其几何参数：叶轮直径 1000mm , 轮毂比 0.5 ，叶片数 12 ，沿叶片径向取 5 个剖面，各剖面参数见表 1 。
根据地铁可逆轴流通风机翼型的使用要求，其中弧线不应是一般翼型的中弧线。一般翼型的中弧线具有单个拱形形状，而可逆翼型的中弧线应是“ S ”形，即翼型前部向上拱，翼型后部向下拱，中弧线成“ S ”形状 [1] 。因为只有这种形状才能使在同一迎角下，正向和逆向运行时绕过翼型头部的流动都比较“顺流”、相似。具有这一翼型的特性常见形式有 3 种： S 形机翼翼型、 S 形圆弧板翼型和平直板翼型。 3 种翼型的结构如图 2 所示。算例中， S 形机翼翼型采用 REVER18 ，其截面尺寸列于表 2 。算例中的 S 形圆弧板翼型与 REVER18 具有相同中弧线。
为了使计算结果具有可比性，保持上述叶轮几何参数及各剖面安装角和弦长不变，翼型分别采用 S 形机翼翼型、 S 形圆弧板翼型和平直板翼型。通过数值模拟研究以上 3 种翼型对风机性能和噪声的影响。
2 数值模拟
2.1 流场数值模拟
采用有限体积法离散控制方程 , 对风机的三维定常流场进行分离式隐式求解。计算采用 标准 k- ε两方程紊流模型，近壁区的流动模拟采用标准壁面函数 , 差分格式为二阶迎风差分格式 , 压力 - 速度耦合采用标准 SIMPLE 算法求解 [2] 。
计算模型采用商用
>湖北新冶钢某炼钢厂70t交流电弧炉。除尘器工程采用布袋式除尘器，最大除尘风量160000 m3／h。
电炉的炼钢周期为70~85分钟，其中装料5~8分钟，送电熔化20~25分钟，吹氧25~28分钟，还原期12~16分钟，冲渣出钢5~7分钟。在不同的生产工艺阶段，电弧炉产生的烟气量和烟气温度不同，且差异较大。加料过程中，主要是装料时废钢及渣料产生的扬尘，需要的除尘风量不大，要求粉尘不扩散，不污染电炉周边工作环境为标准。送电过程中是原料送电拉弧加热，引发可燃废弃物燃烧产生废气。此时，电炉需要将炉料加热至熔化状态，要求烟尘能够及时排出，又不能过多的带走炉体热量以保证炼钢周期。而在吹氧期间，不仅要求除尘工程能够及时迅速地将炉口大量棕红色的烟气和粉尘排走，又必须保证炉体有合适的吹炼温度，确保终点温度。因此，对除尘工程要求较高。进入还原期，吹氧告一段落，粉尘度再一次降低。在冲渣出钢时，主要排放物是冲渣产生的水蒸汽和少量废气。
通过对冶炼工艺的分析：电弧炉在炼钢过程的不同阶段对除尘风量的大小有明显的不同，以吹氧冶炼为最大，加料除尘为最低。通过对电弧炉除尘工程中除尘风机的运行方式和过程的分析，对除尘风机的控制设计于下方案。
*设备参数：
——风机参数
风机型号： AY-FR2760
流量：160000m3/h
风压：3500Pa
轴转速：730r/min
轴功率：1470Kw
——电机参数
电动机型号：YKS650-8
额定电压：：6000V
额定电流：189A
额定转速：736r/min
——变频器技术指标
型号：SH-HVF-Y6000/2000
额定容量：2000kVA
输入电压：6000V
输出电压：0~6000V
额定电流：200A
输出频率：0~50Hz
*工程电气构成
根据现场生产工艺情况，选用湖北三环发展股份有限公司研究开发生产的高压变频器作为主件，该变频调速工程具有谐波含量小，功率因数高、模块化结构、可靠性高等特点。除尘风机电气工程的主接线结构图如图2所示。6kV电源通过母线段网侧高压开关DL接入工程，采用多重化移相干式隔离变压器进行电源侧电气隔离，以减小对电网的谐波污染；变压器输出经功率柜逆变输出后直接驱动三相异步电动机，实现除尘风量的控制。为保证整个除尘风机工程可靠性，工程设计中我们还采用工频旁路。当工程变频运行时，断开隔离开关K3，合隔离开关K1、K2。K2与K3之间还设计了机械互锁，在变频器运行时绝对保证K3不可以误合闸。在变频运行时，由远程PLC起停变频器；转速由微机控制工程给定，实现除尘风机的转速和风量控制。当变频器出现故障时，工程切换至原工频运行方式；断开隔离开关K1、K2；合隔离开关K3。由原除尘工程启动风机，入口挡板控制风量。
工程接线图2
*工程控制方案
由不同工艺阶段的烟气温度有明显差异，因此温度的高低直接反映了电炉的运行工况。工程并没有采用检测电炉工作中粉尘浓度的方式来直接控制除尘风量，而是采集烟道温度作为工程调节的基本参量，通过计算机进行计算和综合输出4~20mA电流作为高压变频器的频率给定信号工程控制。同时，以吹氧量和冷风门开度作为除尘风量的修整参量，从而提高工程响应速度、改善控制品质、达到良好的除尘效果、实现除尘风量自动控制、降低运行人员劳动强度、提高工程效率，达到最佳的节电效果。具体的控制逻辑见图三所示。
为了保证工程的可靠性，另外增加了除尘风量手动控制回路，对除尘风量的控制采用分段调速的方式由炉前操作台控制变频运行的频率点，从而实现不同运行工况下的风量调节。控制逻辑图如图四所示。
实践证明：工程在设计了两套控制方案后大大提高了工程的实用性和可操作性，很好的满足了现场生产要求。同时，在改善现场工作环境，提高产品质量，降低吨钢能耗方面起到了积极作用。
工程特点：
变频调速技术在电炉除尘工程中应用后，主要体现了以下几个特点：
1、提高了功率因数，大大降低了起动电流（起动电流从1200A左右降到不足30A），实现了最佳的软起动。
2、除尘设备功耗随电炉炼钢生产工艺变负荷运行，提高了工程效率；取得显著的节能效果。
3、降低了除尘工程用电负荷，减少了直接起动对电网的电流冲击，同时也减少了对电机、除尘风机的冲击，延长了除尘器、除尘布袋、除尘风机、除尘电机、烟道等设备的使用寿命。
4、对降低炉内热量损失，合理控制过程温度，做到炉温控制的最优化。
5、对除尘工程进行变频改造，缩短炼钢时间，提高钢的品质。
节能分析：
为了对除尘工程变频改造后的效果进行评价，在工程投入正常运行1个月后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。
对变频改造后的节能情况进行统计分析,将除尘风机切到工频连续运行72小时，统计这段时间的耗电量和炼钢量;再将除尘风机切到变频工况下连续运行，按同样的方法统计这段时间的耗电量和炼钢量。
表1
变频运行和工频运行对比
表2
通过对统计数据的分析处理，我们可以得出于下结论：除尘工程在变频改造后，功率因数从0.83左右提高到0.973;吨钢除尘电耗降低了16.4kW·h，设备节电率高达59.3%，平均每年可节电660万kWh，按结算电费0.35元/ kWh计算，每年节能效益达230万元，值得大力推广。
参考文献：
[1> 沈才芳等编著．电弧炉炼钢工艺与设备（第2版）．北京：冶金工业出版社，2001
[2> 湖北三环发展股份有限公司 SH-HVF系列高压变频器手册
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