鋒速達通風降溫系統
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負壓風機廠家不同葉片翼型可逆轉地鐵軸流通風機的數值模擬湖北三
摘要 ： 采用 CFD 和 CAA 方法對可逆轉軸流風機進行三維流場和聲場數值模擬，分析了 3 種葉片翼型對風機性能和噪聲的影響，根據數值模擬結果及分析得出結論。
關鍵詞 ： 軸流式通風機；可逆轉翼型；數值模擬
中圖分類號 :TH432.1 文獻標識碼 :B
文章編號 :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，隨著我國國民經濟和交通運輸業的飛速發展，大城市的交通運輸壓力日趨嚴峻。為了緩解地面交通運輸的壓力，地鐵作為一種新興高效的運輸方式在各大城市紛紛面世。
地鐵建于地面之下，所有通風幾乎都靠風機來完成。由于地鐵隧道在日常通風、列車阻塞與火災排煙時風機需正反轉送風，并且正反轉送風的風量 Q 與全壓 p 的大小要基本保持一致。因此，地鐵隧道通風工程配置了大量的可逆轉式軸流通風機。
可逆轉軸流通風機要保證在正轉和反轉工況下都具有相同或相近的風機性能，故對其葉片的翼型就有著特殊的要求—在正向和逆向送風時，翼型都能提供良好的氣動性能。尋找一種更好地滿足這一特殊要求的可逆翼型對提高地鐵風機效率和降低噪聲有著重要的實用價值。本文借助商用軟件
FLUENT 對 3 種可逆翼型的地鐵軸流通風機分別進行了整機三維流場和聲場數值模擬計算，通過對比分析，確定采用哪一種翼型更適合地鐵可逆轉軸流通風機。
1 算例
以某 10 號地鐵風機為算例，圖 1 為葉輪圖，其幾何參數：葉輪直徑 1000mm , 輪轂比 0.5 ，葉片數 12 ，沿葉片徑向取 5 個剖面，各剖面參數見表 1 。
根據地鐵可逆軸流通風機翼型的使用要求，其中弧線不應是一般翼型的中弧線。一般翼型的中弧線具有單個拱形形狀，而可逆翼型的中弧線應是“ 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] 。因為只有這種形狀才能使在同一迎角下，正向和逆向運行時繞過翼型頭部的流動都比較“順流”、相似。具有這一翼型的特性常見形式有 3 種： S 形機翼翼型、 S 形圓弧板翼型和平直板翼型。 3 種翼型的結構如圖 2 所示。算例中， S 形機翼翼型采用 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。
為了使計算結果具有可比性，保持上述葉輪幾何參數及各剖面安裝角和弦長不變，翼型分別采用 S 形機翼翼型、 S 形圓弧板翼型和平直板翼型。通過數值模擬研究以上 3 種翼型對風機性能和噪聲的影響。
2 數值模擬
2.1 流場數值模擬
采用有限體積法離散控制方程 , 對風機的三維定常流場進行分離式隱式求解。計算采用 標準 k- ε兩方程紊流模型，近壁區的流動模擬采用標準壁面函數 , 差分格式為二階迎風差分格式 , 壓力 - 速度耦合采用標準 SIMPLE 算法求解 [2] 。
計算模型采用商用
>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。在不同的生產工藝階段，電弧爐產生的煙氣量和煙氣溫度不同，且差異較大。加料過程中，主要是裝料時廢鋼及渣料產生的揚塵，需要的除塵風量不大，要求粉塵不擴散，不污染電爐周邊工作環境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱，引發可燃廢棄物燃燒產生廢氣。此時，電爐需要將爐料加熱至熔化狀態，要求煙塵能夠及時排出，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，確保終點溫度。因此，對除塵工程要求較高。進入還原期，吹氧告一段落，粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時，主要排放物是沖渣產生的水蒸汽和少量廢氣。
通過對冶煉工藝的分析：電弧爐在煉鋼過程的不同階段對除塵風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。通過對電弧爐除塵工程中除塵風機的運行方式和過程的分析，對除塵風機的控制設計于下方案。
*設備參數：
——風機參數
風機型號： AY-FR2760
流量：160000m3/h
風壓：3500Pa
軸轉速：730r/min
軸功率：1470Kw
——電機參數
電動機型號：YKS650-8
額定電壓：：6000V
額定電流：189A
額定轉速：736r/min
——變頻器技術指標
型號：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
*工程電氣構成
根據現場生產工藝情況，選用湖北三環發展股份有限公司研究開發生產的高壓變頻器作為主件，該變頻調速工程具有諧波含量小，功率因數高、模塊化結構、可靠性高等特點。除塵風機電氣工程的主接線結構圖如圖2所示。6kV電源通過母線段網側高壓開關DL接入工程，采用多重化移相干式隔離變壓器進行電源側電氣隔離，以減小對電網的諧波污染；變壓器輸出經功率柜逆變輸出后直接驅動三相異步電動機，實現除塵風量的控制。為保證整個除塵風機工程可靠性，工程設計中我們還采用工頻旁路。當工程變頻運行時，斷開隔離開關K3，合隔離開關K1、K2。K2與K3之間還設計了機械互鎖，在變頻器運行時絕對保證K3不可以誤合閘。在變頻運行時，由遠程PLC起停變頻器；轉速由微機控制工程給定，實現除塵風機的轉速和風量控制。當變頻器出現故障時，工程切換至原工頻運行方式；斷開隔離開關K1、K2；合隔離開關K3。由原除塵工程啟動風機，入口擋板控制風量。
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行工況。工程并沒有采用檢測電爐工作中粉塵濃度的方式來直接控制除塵風量，而是采集煙道溫度作為工程調節的基本參量，通過計算機進行計算和綜合輸出4~20mA電流作為高壓變頻器的頻率給定信號工程控制。同時，以吹氧量和冷風門開度作為除塵風量的修整參量，從而提高工程響應速度、改善控制品質、達到良好的除塵效果、實現除塵風量自動控制、降低運行人員勞動強度、提高工程效率，達到最佳的節電效果。具體的控制邏輯見圖三所示。
為了保證工程的可靠性，另外增加了除塵風量手動控制回路，對除塵風量的控制采用分段調速的方式由爐前操作臺控制變頻運行的頻率點，從而實現不同運行工況下的風量調節�？刂七壿媹D如圖四所示。
實踐證明：工程在設計了兩套控制方案后大大提高了工程的實用性和可操作性，很好的滿足了現場生產要求。同時，在改善現場工作環境，提高產品質量，降低噸鋼能耗方面起到了積極作用。
工程特點：
變頻調速技術在電爐除塵工程中應用后，主要體現了以下幾個特點：
1、提高了功率因數，大大降低了起動電流（起動電流從1200A左右降到不足30A），實現了最佳的軟起動。
2、除塵設備功耗隨電爐煉鋼生產工藝變負荷運行，提高了工程效率；取得顯著的節能效果。
3、降低了除塵工程用電負荷，減少了直接起動對電網的電流沖擊，同時也減少了對電機、除塵風機的沖擊，延長了除塵器、除塵布袋、除塵風機、除塵電機、煙道等設備的使用壽命。
4、對降低爐內熱量損失，合理控制過程溫度，做到爐溫控制的最優化。
5、對除塵工程進行變頻改造，縮短煉鋼時間，提高鋼的品質。
節能分析：
為了對除塵工程變頻改造后的效果進行評價，在工程投入正常運行1個月后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。
對變頻改造后的節能情況進行統計分析,將除塵風機切到工頻連續運行72小時，統計這段時間的耗電量和煉鋼量;再將除塵風機切到變頻工況下連續運行，按同樣的方法統計這段時間的耗電量和煉鋼量。
表1
變頻運行和工頻運行對比
表2
通過對統計數據的分析處理，我們可以得出于下結論：除塵工程在變頻改造后，功率因數從0.83左右提高到0.973;噸鋼除塵電耗降低了16.4kW·h，設備節電率高達59.3%，平均每年可節電660萬kWh，按結算電費0.35元/ kWh計算，每年節能效益達230萬元，值得大力推廣。
參考文獻：
[1> 沈才芳等編著．電弧爐煉鋼工藝與設備（第2版）．北京：冶金工業出版社，2001
[2> 湖北三環發展股份有限公司 SH-HVF系列高壓變頻器手冊
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