離心引風機負荷對葉片積灰的影響
摘要:通過用SIMPLE算法編制的程序?qū)﹄x心引風機在不同工況時流場的數(shù)值模擬,分析了流場與引風機葉片積灰的特性,從而得出了離心引風機負荷對積灰的影響的結論。
1 引言
在電站、石油、冶金、化工及城市供熱鍋爐的運行過程中,引風機葉片由于各種原因不可避免地發(fā)生積灰,因此葉片積灰是一個普遍而又十分值得研究和處理的問題,也是生產(chǎn)現(xiàn)場中的一大難題。引風機葉片上沉積物的存在會造成葉輪的不平衡和振動,致使軸和軸承上的負荷增加,引風機的電流也會增加,嚴重時還會引起風機和電機的地腳螺栓斷裂,造成軸和軸承及葉輪等其它的零部件損毀,更嚴重時會引起引風機飛車事故 [1]。本文從流場角度分析了某熱電廠引風機的運行負荷對其葉片積灰的影響,為生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)整運行方式和改進設計提供了理論依據(jù)。
- 物理描述
2.1 現(xiàn)象描述
引風機在額定負荷運行時,氣流進入引風機葉片流道的角度與葉片的進口安裝角相當,這時氣流的沖擊角為零,氣流沒有沖擊平滑地流入葉片通道。當引風機低于額定負荷運行時,由于進口速度方向的改變,氣流沖擊角小于葉片的進氣安裝角而形成了正沖擊角;葉片的非工作面將出現(xiàn)邊界層氣流的分離和氣流的回流,而且在非工作面上形成了漩渦且沿著葉片的徑向方向發(fā)展,最終使葉片在非工作面上產(chǎn)生積灰[1-4]。
2.2 模擬對象
以某熱電廠鍋爐引風機為模擬對象,其結構如表1,在模擬過程中不考慮葉片厚度的影響。
表1 風機的結構參數(shù)
型 號 |
Y4-73-11№20D |
葉輪出口直徑/mm |
2000 |
轉(zhuǎn)速/( r/min) |
960 |
葉輪進口直徑/mm |
1460 |
出口壓力/ kPa |
4.5 |
進口安裝角/(°) |
16 |
葉片數(shù)/個 |
12 |
出口安裝角/(°) |
45 |
流 量/ (m3/h) |
178010 |
葉輪寬度/mm |
700 |
3 數(shù)學描述
3.1 控制方程
原則上氣流為氣固兩相流動,但實際上由于顆粒在氣流中的份額很少而對氣流的影響可以忽略,所以采取單相介質(zhì)模型。氣流在葉片流道中流動,在采用相對直角旋轉(zhuǎn)坐標下,坐標系統(tǒng)示意圖如圖1所示,可近似地認為是二維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體的流動,應用修正的κ-ε湍流模型,則流體的控制方程的統(tǒng)一形式為
3.2 邊界條件
進口邊界條件——進口速度可根據(jù)流量和速度三角形來共同確定,湍動能按進口0.5%(u2+v2)給定,而耗散率按0.1%的湍動能給定[6]。
出口邊界條件——出口處的壓力為4.5kPa,沿流線的一階偏導數(shù)為零,并且遵循質(zhì)量守恒定律。
壁面邊界條件——按壁面函數(shù)法確定[7]。
4 數(shù)值計算
由于流體流動的通道形狀不規(guī)則,為此采用貼體坐標系,利用Vinkor[8]將物理平面網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為計算平面網(wǎng)格;坐標變換后的通用控制方程為
按給定的壓力場求解出的速度場未必能滿足連續(xù)性方程,所以在得出速度場后應對壓力場進行修正,壓力修正后可重新求得速度場,最終可導得壓力修正方程和速度修正方程分別為:
采用交錯網(wǎng)格的方法對整個區(qū)域進行40×20網(wǎng)格劃分,采用冪函數(shù)方案作為對流擴散方式,采用SIMPLE方法[9]對流場進行計算,最后可得到流場的數(shù)值解。圖2和圖3為在不同工況時的流場數(shù)值解,D代表引風機運行的額定負荷。
文獻提供的試驗數(shù)據(jù)在額定負荷時的對比,數(shù)據(jù)位置在風機葉片徑向的1/3,2/3處,通過對比發(fā)現(xiàn)程序和模型有較高的準確性。可作為流場的預報有效工具。
5 結果分析
根據(jù)對計算流場的分析可得知,引風機在滿負荷時,由于流體流動方向幾乎與葉輪通道進口安裝角一致,而相對速度流場分布比較均勻,在非工作面壁面上,由于離心力和哥氏力及介質(zhì)粘性的影響,有氣體分離和在貼壁處薄層存在少量回流,相對總壓分布也十分均勻,這幾乎對葉片的積灰沒有影響;隨著負荷的不斷下降,在風機進口處沒有設置預旋裝置的情況下,進口速度發(fā)生偏離且和葉輪通道的進口安裝角形成一個差角,從而流動主流區(qū)逐漸向工作面方向偏移,在葉片的非工作面及附近區(qū)域形成負壓區(qū)域而出現(xiàn)較大區(qū)域的分層和氣流漩渦及回流,并且在葉片的非工作面上的范圍在徑向不斷擴大,在與非工作面垂直方向上也逐漸擴展,負壓區(qū)域也在不斷擴大。隨著負荷的不斷下降,這種現(xiàn)象更加明顯并將會布滿整個葉片范圍,這是因為離心力隨半徑的增加而增大的緣故。從圖中可以看出,在引風機負荷為80%以下時,氣流的分離,漩渦及回流比較顯著;隨著負荷的不斷下降,這種現(xiàn)象更加明顯和突出。由于漩渦,回流和氣流分離,加上這些區(qū)域的流速不是很大,低速區(qū)域隨負荷的不斷下降而逐漸擴大,因而使氣流攜帶粉塵的能力下降,且增加了氣流在葉片非工作面及附近區(qū)域的停留時間,再加上離心力和哥氏力的綜合影響,粉塵更容易沉積在葉片的非工作面上并且隨著負荷的降低而不斷擴大,葉片積灰也越嚴重。所以看出引風機負荷是影響葉片積灰的重要因素之一。
6 結論
通過某熱電廠Y4-73-11№20D 引風機的流場的數(shù)值分析,對其不同工況時流場和積灰的分析,在風機負荷將到80%時,葉片非工作面上有明顯的積灰存在;當引風機負荷將到60%時,積灰比較嚴重;無論是在現(xiàn)場的長期運行中還是在進行負荷試驗的過程中都發(fā)現(xiàn),當引風機負荷將到65%時已出現(xiàn)特別明顯的積灰并且振動,必要時須清灰;上述情況與數(shù)值分析結果較為一致。由數(shù)值模擬的結果可知,為了保證引風機不產(chǎn)生積灰和振動而安全穩(wěn)定運行,引風機運行負荷應不低于80%為宜。
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