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負(fù)壓風(fēng)機(jī)廠電站空冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)條件及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果風(fēng)機(jī)泵類調(diào)速節(jié)能
本文采用沿展向載荷為5次方曲線的流型設(shè)計(jì)了空冷風(fēng)機(jī)葉片，并利用CFD求解器Numeca對(duì)空冷風(fēng)機(jī)的內(nèi)部三維粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了風(fēng)機(jī)內(nèi)部的許多流動(dòng)細(xì)節(jié)、規(guī)律及性能參數(shù)。
同時(shí)，還與采用等α的變環(huán)量流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)效率要比等α流型的風(fēng)機(jī)效率高10％左右。
因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。
5次方流型及其特點(diǎn) 一般工業(yè)用軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)多采用全壓p沿動(dòng)葉葉高按等α規(guī)律分布，這樣的流型基本上能自動(dòng)滿足簡(jiǎn)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(huì)取得良好的效果，若用在整流不好的流道中，往往由于設(shè)計(jì)時(shí)不能滿足假設(shè)條件而使風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(dòng)情況相對(duì)較好。因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)，使葉片中部做功多，出口氣流軸向速度大，正好符合空冷風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況。5次方流型中的6個(gè)待定常數(shù)由徑向平衡方程、連續(xù)性方程及動(dòng)量方程確定。6個(gè)待定常數(shù)的初值可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的總體氣動(dòng)參數(shù)：全壓和流量，結(jié)合流型的特點(diǎn)，任意給定5次方曲線，用回歸的方法即可得到。然后，通過(guò)反復(fù)迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數(shù)。最后按一般計(jì)算方法計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)�！ �
在計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮以下幾條原則：(1)由于空冷風(fēng)機(jī)葉輪前后均無(wú)導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)動(dòng)能 (3)由于空冷風(fēng)機(jī)多采用小輪轂比，所以其葉根處氣流條件最惡劣，葉根處設(shè)計(jì)不合理會(huì)影響整個(gè)流場(chǎng)，影響通風(fēng)機(jī)的效率，故而應(yīng)使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2 計(jì)算實(shí)例 空冷風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉(zhuǎn)速122r/min。根據(jù)上述計(jì)算方法，得到所設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)應(yīng)采用的流型為 風(fēng)機(jī)采用5次方流型時(shí)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(shí)，在葉根和葉尖附近，做功量可以設(shè)計(jì)得非常小，使低效區(qū)盡量少消耗能量。這樣，當(dāng)兩者的設(shè)計(jì)與使用條件相同時(shí)，5次方流型的效率要高于等α流型。 在設(shè)計(jì)中，把風(fēng)機(jī)的效率高低放在首要位置，因此翼型宜選用平底機(jī)翼型（本文選用LS翼型）。最后通過(guò)經(jīng)典的軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟即可得到空冷風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)。3 三維CFD分析3.1 建模與網(wǎng)格劃分 劃分網(wǎng)格之前首先要建立三維模型。而上述風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)給出的幾何參數(shù)，是葉片不同半徑處葉型剖面二維坐標(biāo)與安裝角。為此,首先要把原來(lái)給出的葉型二維剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成考慮了安裝角的三維坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換后，將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入FINE/AutoGrid中，即可生成風(fēng)機(jī)網(wǎng)格。3.2 基本方程 控制方程采用的是時(shí)均N-S方程組并配合Baldwin-Lomax湍流模型。離散格式采用基于時(shí)間推進(jìn)法的Jamson格式，有限體積方法離散�！ ∵吔鐥l件為 (1)進(jìn)口：給定流動(dòng)總壓為大氣靜壓力，流動(dòng)總溫為大氣靜溫，流動(dòng)方向?yàn)檩S向進(jìn)氣�！ �(2)出口：給定質(zhì)量流量。出口給定質(zhì)量流量時(shí)，出口壓力是參考值。即如果收斂，給定的出口壓力不會(huì)影響最后結(jié)果。(3)壁面：給定絕熱和無(wú)滑移條件。3.3 計(jì)算結(jié)果及分析采用5次方流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，全壓比等流型的風(fēng)機(jī)全壓高20Pa左右。但5次方流型風(fēng)機(jī)的全壓梯度較小，這樣，冷風(fēng)機(jī)流量受環(huán)境風(fēng)速等的影響較大。風(fēng)機(jī)的全壓效率是反映風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。分別計(jì)算若干個(gè)工況點(diǎn)，并利用計(jì)算求得的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行葉輪性能預(yù)估�！ �
關(guān)鍵詞：變頻器 調(diào)速裝置 風(fēng)機(jī) 水泵
我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)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(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%～50%，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。
采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。目前許多國(guó)家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國(guó)國(guó)家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載應(yīng)該采用電力電子調(diào)速。
變頻調(diào)速節(jié)能裝置的節(jié)能原理
1、變頻節(jié)能
由流體力學(xué)可知，P(功率)=Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺(tái)水泵電機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。
2、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，由公式P=s×COSΦ，Q=s×sINΦ，其中S—視在功率，P—有功功率，Q—無(wú)功功率，COSΦ—功率因數(shù)，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSΦ≈1，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
3、軟啟動(dòng)節(jié)能
由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(4-7)倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
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同時(shí)，還與采用等α的變環(huán)量流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)效率要比等α流型的風(fēng)機(jī)效率高10％左右。
因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)的空冷風(fēng)機(jī)具有明顯的節(jié)能效果。
5次方流型及其特點(diǎn) 一般工業(yè)用軸流通風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)多采用全壓p沿動(dòng)葉葉高按等α規(guī)律分布，這樣的流型基本上能自動(dòng)滿足簡(jiǎn)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(huì)取得良好的效果，若用在整流不好的流道中，往往由于設(shè)計(jì)時(shí)不能滿足假設(shè)條件而使風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(dòng)情況相對(duì)較好。因此，采用5次方流型設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)，使葉片中部做功多，出口氣流軸向速度大，正好符合空冷風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況。5次方流型中的6個(gè)待定常數(shù)由徑向平衡方程、連續(xù)性方程及動(dòng)量方程確定。6個(gè)待定常數(shù)的初值可根據(jù)通風(fēng)機(jī)的總體氣動(dòng)參數(shù)：全壓和流量，結(jié)合流型的特點(diǎn)，任意給定5次方曲線，用回歸的方法即可得到。然后，通過(guò)反復(fù)迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數(shù)。最后按一般計(jì)算方法計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)�！ �
在計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮以下幾條原則：(1)由于空冷風(fēng)機(jī)葉輪前后均無(wú)導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)動(dòng)能 (3)由于空冷風(fēng)機(jī)多采用小輪轂比，所以其葉根處氣流條件最惡劣，葉根處設(shè)計(jì)不合理會(huì)影響整個(gè)流場(chǎng)，影響通風(fēng)機(jī)的效率，故而應(yīng)使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2 計(jì)算實(shí)例 空冷風(fēng)機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉(zhuǎn)速122r/min。根據(jù)上述計(jì)算方法，得到所設(shè)計(jì)空冷風(fēng)機(jī)應(yīng)采用的流型為 風(fēng)機(jī)采用5次方流型時(shí)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(shí)，在葉根和葉尖附近，做功量可以設(shè)計(jì)得非常小，使低效區(qū)盡量少消耗能量。這樣，當(dāng)兩者的設(shè)計(jì)與使用條件相同時(shí)，5次方流型的效率要高于等α流型。 在設(shè)計(jì)中，把風(fēng)機(jī)的效率高低放在首要位置，因此翼型宜選用平底機(jī)翼型（本文選用LS翼型）。最后通過(guò)經(jīng)典的軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟即可得到空冷風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)數(shù)據(jù)。3 三維CFD分析3.1 建模與網(wǎng)格劃分 劃分網(wǎng)格之前首先要建立三維模型。而上述風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)給出的幾何參數(shù)，是葉片不同半徑處葉型剖面二維坐標(biāo)與安裝角。為此,首先要把原來(lái)給出的葉型二維剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成考慮了安裝角的三維坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換后，將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入FINE/AutoGrid中，即可生成風(fēng)機(jī)網(wǎng)格。3.2 基本方程 控制方程采用的是時(shí)均N-S方程組并配合Baldwin-Lomax湍流模型。離散格式采用基于時(shí)間推進(jìn)法的Jamson格式，有限體積方法離散�！ ∵吔鐥l件為 (1)進(jìn)口：給定流動(dòng)總壓為大氣靜壓力，流動(dòng)總溫為大氣靜溫，流動(dòng)方向?yàn)檩S向進(jìn)氣�！ �(2)出口：給定質(zhì)量流量。出口給定質(zhì)量流量時(shí)，出口壓力是參考值。即如果收斂，給定的出口壓力不會(huì)影響最后結(jié)果。(3)壁面：給定絕熱和無(wú)滑移條件。3.3 計(jì)算結(jié)果及分析采用5次方流型設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，全壓比等流型的風(fēng)機(jī)全壓高20Pa左右。但5次方流型風(fēng)機(jī)的全壓梯度較小，這樣，冷風(fēng)機(jī)流量受環(huán)境風(fēng)速等的影響較大。風(fēng)機(jī)的全壓效率是反映風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。分別計(jì)算若干個(gè)工況點(diǎn)，并利用計(jì)算求得的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行葉輪性能預(yù)估�！ �
關(guān)鍵詞：變頻器 調(diào)速裝置 風(fēng)機(jī) 水泵
我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)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(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%～50%，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。
采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。目前許多國(guó)家均已指定流量壓力控制必須采用變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國(guó)國(guó)家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載應(yīng)該采用電力電子調(diào)速。
變頻調(diào)速節(jié)能裝置的節(jié)能原理
1、變頻節(jié)能
由流體力學(xué)可知，P(功率)=Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺(tái)水泵電機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。
2、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，由公式P=s×COSΦ，Q=s×sINΦ，其中S—視在功率，P—有功功率，Q—無(wú)功功率，COSΦ—功率因數(shù)，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COSΦ≈1，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
3、軟啟動(dòng)節(jié)能
由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(4-7)倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
負(fù)壓風(fēng)機(jī)廠
廠房降溫設(shè)備
水簾生產(chǎn)廠家
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