負壓風機廠電站空冷風機設計條件及實驗設計結果風機泵類調速節能

本文采用沿展向載荷為5次方曲線的流型設計了空冷風機葉片，并利用CFD求解器Numeca對空冷風機的內部三維粘性流場進行數值模擬，獲得了風機內部的許多流動細節、規律及性能參數。
同時，還與采用等α的變環量流型設計的風機進行了比較，結果表明：采用5次方流型設計的空冷風機效率要比等α流型的風機效率高10％左右。
因此，采用5次方流型設計的空冷風機具有明顯的節能效果。
5次方流型及其特點　　一般工業用軸流通風機的設計多采用全壓p沿動葉葉高按等α規律分布，這樣的流型基本上能自動滿足簡單的徑向平衡條件，且沿葉高方向各截面的氣流速度和全壓比較均勻，損失較小。但這樣的流型只有在整流條件比較好的流道中使用才會取得良好的效果，若用在整流不好的流道中，往往由于設計時不能滿足假設條件而使風機的效率偏低�！。ǎ保┭貜较蚍峙涞妮d荷不是均勻的，葉片中間做功多，兩端做功少；（２）在葉片中部，葉輪出口軸向氣流速度較大，而在葉片兩端，葉輪出口軸向氣流速度較小。冷風機運行過程中，由于附面層及輪轂的影響，葉根和葉尖處的氣流速度較低且均勻性差，而葉片中部流動情況相對較好。因此，采用5次方流型設計空冷風機，使葉片中部做功多，出口氣流軸向速度大，正好符合空冷風機的實際情況。5次方流型中的6個待定常數由徑向平衡方程、連續性方程及動量方程確定。6個待定常數的初值可根據通風機的總體氣動參數：全壓和流量，結合流型的特點，任意給定5次方曲線，用回歸的方法即可得到。然后，通過反復迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數。最后按一般計算方法計算出通風機的各項氣動數據。　　
在計算時，應考慮以下幾條原則：(1)由于空冷風機葉輪前后均無導葉，葉輪出口旋轉動能　　(3)由于空冷風機多采用小輪轂比，所以其葉根處氣流條件最惡劣，葉根處設計不合理會影響整個流場，影響通風機的效率，故而應使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2　計算實例　　空冷風機的主要設計參數：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉速122r/min。根據上述計算方法，得到所設計空冷風機應采用的流型為　　風機采用5次方流型時其出口扭速與等α流型的比較如圖2所示。從圖中看出，采用5次方流型時，在葉根和葉尖附近，做功量可以設計得非常小，使低效區盡量少消耗能量。這樣，當兩者的設計與使用條件相同時，5次方流型的效率要高于等α流型�！　≡谠O計中，把風機的效率高低放在首要位置，因此翼型宜選用平底機翼型（本文選用LS翼型）。最后通過經典的軸流通風機設計計算步驟即可得到空冷風機的各項氣動數據。3　三維CFD分析3.1　建模與網格劃分　　劃分網格之前首先要建立三維模型。而上述風機設計給出的幾何參數，是葉片不同半徑處葉型剖面二維坐標與安裝角。為此,首先要把原來給出的葉型二維剖面坐標轉換成考慮了安裝角的三維坐標。轉換后，將三維坐標數據導入FINE/AutoGrid中，即可生成風機網格。3.2　基本方程　　控制方程采用的是時均N-S方程組并配合Baldwin-Lomax湍流模型。離散格式采用基于時間推進法的Jamson格式，有限體積方法離散。　　邊界條件為　　(1)進口：給定流動總壓為大氣靜壓力，流動總溫為大氣靜溫，流動方向為軸向進氣�！　�(2)出口：給定質量流量。出口給定質量流量時，出口壓力是參考值。即如果收斂，給定的出口壓力不會影響最后結果。(3)壁面：給定絕熱和無滑移條件。3.3　計算結果及分析采用5次方流型設計的風機，在設計工況點時，全壓比等流型的風機全壓高20Pa左右。但5次方流型風機的全壓梯度較小，這樣，冷風機流量受環境風速等的影響較大。風機的全壓效率是反映風機性能的重要指標。分別計算若干個工況點，并利用計算求得的壓力場、速度場進行葉輪性能預估�！　�

關鍵詞：變頻器 調速裝置 風機 水泵

我國的電動機用電量占全國發電量的60%～70%，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻調速器來調節流量、風量，應用變頻器節電率為20%～50%，而且通常在設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。

采用變頻器驅動具有很高的節能空間。目前許多國家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調速裝置取代傳統方式，中國國家能源法第29條第二款也明確規定風機泵類負載應該采用電力電子調速。

變頻調速節能裝置的節能原理

1、變頻節能

由流體力學可知，P(功率)=Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。

2、功率因數補償節能

無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=s×COSΦ，Q=s×sINΦ，其中S—視在功率，P—有功功率，Q—無功功率，COSΦ—功率因數，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數在0.6-0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，COSΦ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

3、軟啟動節能

由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于(4-7)倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。

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