CN106446342B - 一种轴流风机叶片安装角度获得方法 - Google Patents

一种轴流风机叶片安装角度获得方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴流风机叶片最优安装角获得方法。包括获得风机基本结构参数，利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立不同安装角的风机模型，获得不同海拔高度空气质量密度，分别输入FLUENT软件中，模拟计算得到各海拔高度条件不同安装角情况下，风机的有效功率P与安装角θ的关系曲线；对得到的曲线进行拟合，得到各海拔高度该轴流风机型号风机的有效功率P与安装角θ的计算公式；利用计算式获得风机的安装角。本发明轴流风机叶片安装角的获得方法，经现场测评其结果与现场实际情况相符，解决了施工方以往不断进行现场试验确定轴流风机叶片安装角的复杂问题，得到的结果准确可靠，最大限度地实现了经济、合理、高效、便捷。

Description

一种轴流风机叶片安装角度获得方法
技术领域
本发明属于铁路、公路隧道建设工程技术领域，尤其属于高海拔铁路、公路隧道通风工程建设技术领域，特别涉及高海拔铁路、公路隧道施工通风设计技术。
背景技术
随着我国交通网的逐渐完善，高海拔铁路、公路隧道的数量迅速增多，高海拔隧道建设工程中的通风设备优化问题日益受到国内各界的关注。目前，国内高海拔隧道施工中，选用的通风设备多为轴流风机，与平原地区相比，高海拔地区的空气密度相对低，轴流风机的有效功率会降低，从而导致通风效果降低。保证轴流风机的有效功率是隧道施工安全的基础和关键。
通过对国内外资料的调研发现，国内外研究学者主要针对轴流风机的结构几何参数进行研究改进，从而达到增大轴流风机有效功率的效果，而对于轴流风机在高海拔地区是否适用或满足功率要求，目前采取的是现场测试的方法，有时需进行反复多次的改进和测试，费时费力。因此，快速有效的预测高海拔地区轴流风机的结构参数可以节省成本，减少不必要的人力物力的浪费。
发明内容
本发明针对现有高海拔隧道施工中轴流风机有效功率降低现象，提出一种通过获得轴流风机叶片最优安装角来满足高海拔地区轴流风机有效功率要求的方法。
本发明可以通过以下技术方案实现：
轴流风机叶片安装角度获得方法，其特征在于包括以下方法：
(1)选定轴流风机型号，提取其基本的结构参数，利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立不同安装角的风机模型，并分别导入FLUENT软件中；
(2)获得不同海拔高度空气质量密度，分别输入FLUENT软件中，模拟计算得到各海拔高度条件不同安装角情况下，风机的有效功率P与安装角θ的关系曲线；
(3)对步骤(2)得到的曲线进行拟合，得到各海拔高度该轴流风机型号风机的有效功率P与安装角θ的计算公式；
(4)根据工程实际功率需要，利用步骤(3)计算式获得风机的安装角。
本发明轴流风机叶片安装角度获得方法具体包括以下步骤：
步骤一、选定轴流风机型号，提取其基本结构参数；
步骤二、根据步骤一选择的风机基本结构参数，利用FLUENT前处理软件GAMBIT进行叶轮几何模型的建立；首先在GAMBIT中将风机叶片模型建立起来，随后在其基础上依次建立电机、支架、风筒形成轴流风机的整体结构模型；
步骤三、利用FLUENT软件对不同海拔、风机叶片不同安装角度进行组合计算，包括：
(1)在GAMBIT中建立叶片不同安装角的轴流风机模型；
(2)将(1)建立的模型导入FLUENT中，设置计算时的初始边界条件，包括气流入口、气流出口、风筒内壁、电机、支架、过渡面、叶片、风机段、入口风量、出口段，并划分网格；
(3)分别计算不同海拔高度的空气密度和气压，并将其设置为风机入口处的空气密度和气压后进行计算。
(4)提取各个工况计算结果中风机出口的全压，根据初设的风机流量可以得出风机的有效功率；
Pe＝△p.Q，
其中Pe为风机有效功率，△p为风机出口全压，Q为风机流量；
(5)绘制同一海拔高度时，风机有效功率与叶片安装角之间的关系曲线，并拟合曲线，得到关系计算式；
步骤四、根据所选轴流风机所在海拔高度，重复以上步骤一、二、三，即可获得该海拔情况下，风机不同叶片安装角的有效功率，确定风机的安装角。
所述步骤三中风机叶片不同安装角度分别选取20°、22°、24°、26°、28°进行计算。
本发明具体选取轴流风机型号SDZ260-8P进行模拟，得到的模型计算式包括：
(1)海拔为0m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P0＝3.7182θ+57.592
(2)海拔为1000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P1000＝3.6024θ+55.807
(3)海拔为2000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P2000＝3.5457θ+45.378
(4)海拔为3000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P3000＝2.992θ+41.809
(5)海拔为4000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P4000＝2.4818θ+38.532
(6)海拔为5000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P5000＝2.2292θ+34.636
其中：P为轴流风机有效功率，单位kW；θ为轴流风机叶片安装角，单位度。
本发明中采用FLUENT及其前处理软件GAMBIT。FLUENT软件是目前国际上流行的商业计算流体力学(CFD)软件，只要涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以用FLUENT进行求解。GAMBIT是一款帮助计算流体力学软件建立模型并划分网格的前处理软件。GAMBIT通过其用户界面(GUI)能够简单、直接地建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等。
本发明通过利用数值模拟的方法，对高海拔地区的轴流风机有效功率进行计算，得出一种高海拔地区轴流风机叶片安装角度的预测方法。提出一种基于数值模拟的高海拔隧道施工通风中轴流风机叶片安装角的确定方法。
本发明利用流体力学计算软件FLUENT及其前处理软件GAMBIT，进行轴流风机不同叶片安装角θ模型的建立，输入不同海拔H的环境参数，设定入口风量Q，进行高海拔轴流风机运行状况的组合模拟计算。
提取不同海拔，不同安装角的风机出口风压ΔP，计算出对应轴流风机的有效功率Pe。
提取不同海拔情况下，轴流风机有效功率随叶片安装角变化的数值，并进行作图，线性拟合并给出计算公式式(Pe-θ)。
在实际应用中，根据工程情况，选择轴流风机要求的有效功率，带入对应的海拔高度计算式中，计算得到该轴流风机在该海拔情况下，能够满足有效功率的最小安装角。由于本发明只给出了部分海拔，功率与叶片安装角的关系计算式，因此，可以首先计算与实际工程的海拔高度相邻的两个海拔高度时轴流风机的叶片安装角，然后进行线性内插或者线性延伸的方法，得到所需海拔高度的轴流风机的叶片安装角的预测值。
本发明的有益效果：本发明采用数值模拟计算和模型，得出了轴流风机叶片安装角的获得方法，经现场测评，得出的结果与现场实际情况相符。本发明解决了施工方以往不断进行现场试验确定轴流风机叶片安装角的复杂问题，得到的结果准确可靠，最大限度地实现了经济、合理、高效、便捷。
附图说明
图1轴流风机平面布置示意图；
图2轴流风机平面尺寸示意图；
图3轴流风机风筒切面图；
图4轴流风机叶片整体示意图；
图5轴流风机叶片整体另一示意图；
图6轴流风机叶片尺寸示意图；
图7轴流风机叶片建模示意图；
图8轴流风机整体建模示意图；
图9海拔0m时，轴流风机有效功率随安装角变化图；
图10海拔1000m时，轴流风机有效功率随安装角变化图；
图11海拔2000m时，轴流风机有效功率随安装角变化图；
图12海拔3000m时，轴流风机有效功率随安装角变化图；
图13海拔4000m时，轴流风机有效功率随安装角变化图；
图14海拔5000m时，轴流风机有效功率随安装角变化图。
图中，1是入口段；2是风机段；3是出口段；4是集流器；5是电机；6是扩散筒；图10至图14中，横坐标表示安装角θ，单位度；纵坐标表示有效功率P，单位kw。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整也属于本发明保护的范围。
本发明首先选用SDZ260-8P型轴流风机，平面布置图如图1所示，提取其基本的结构参数(主要是叶片截面数据)，包括：风筒直径、长度，支架的位置、尺寸，叶片轮毂半径、安装角范围、叶型弦长、叶型厚度、叶片数等，SDZ260-8P型轴流风机基本结构参数如图2、3、4、5所示。利用FLUENT前处理软件GAMBIT进行风机模型的建立。前期建模，分别建立叶片安装角为20°、22°、24°、26°、28°的风机模型，叶片模型如图6所示，风机整体模型如图7所示。
然后导入FLUENT软件之中，进行网格的划分，边界条件的设置包括：气流入口(风机进口质量流量)、气流出口(设风机出口静压为大气压力)、风筒内壁、电机、支架(无滑移固壁边界条件)、过渡面(利用unite命令将入口段、风机段、出口段连接成一个整体)、叶片(旋转壁面条件)、风机段(此段设为fluid，先设定气流的方向，然后流体结构设为MovingReference frame结构，转速可根据实际的风机转速设定，但要注意方向)、入口段、出口段(两段的边界条件可取默认值，软件默认他们为Stationary，即相对静止结构)。
根据SDZ260-8P型轴流风机厂家出厂建议，将风机入口风量设定为120m3/s。
根据理想气体状态方程式可以求得空气密度与海拔高度的关系：
式中：ρH——海拔高度为H时的空气密度，kg/m3；ρ0——标准状态下空气密度；H——海拔高度，m；T0——绝对温度，273K；α——空气温度梯度，约为0.0065K/m。
根据气体状态方程式可以得到不同海拔高度标准大气的相关参数如下表所示。
海拔H(m) 温度T(K) 压力(Pa) ρ(kg/m3)
0 288.2 1.0133×105 1.225
1000 281.7 0.89876 1.111
2000 275.2 0.79501 1.007
3000 268.7 0.70121 0.9093
4000 262.2 0.61660 0.8194
5000 255.7 0.54048 0.7364
设置好所有的初始条件之后，利用FLUENT软件，对轴流风机模型进行计算，分别对安装角为20°、22°、24°、26°、28°和海拔为0m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m进行组合计算，提取30种工况下的风机出口全压△P。根据风机有效功率计算式：
Pe＝△p.Q
(Pe为风机有效功率，△p为风机出口全压，Q为风机流量)。
分别提取海拔为0m、1000m、2000m、3000m、4000m、5000m时，风机效率与叶片安装角。分别在EXCEL中对其进行描点、绘图，后期对散点图进行线性拟合，并给出计算式：
(1)海拔为0m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图9：P0＝3.7182θ+57.592
(2)海拔为1000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图10)：P1000＝3.6024θ+55.807
(3)海拔为2000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图11)：P2000＝3.5457θ+45.378
(4)海拔为3000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图12)：P3000＝2.992θ+41.809
(5)海拔为4000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图13)：P4000＝2.4818θ+38.532
(6)海拔为5000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值(图14)：P5000＝2.2292θ+34.636
其中P为轴流风机有效功率(kW)，θ为轴流风机叶片安装角(°)。
以上述6个计算式为基础，根据轴流风机所在的实际海拔高度，选取两个相邻的计算式，进行叶片安装角的计算，将计算结果根据实际海拔高度进行线性内插，得到轴流风机实际的叶片安装角预测值。

Claims (4)

1.一种轴流风机叶片安装角度获得方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选定轴流风机型号，提取其基本的结构参数，利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立不同安装角的风机模型，并分别导入FLUENT软件中；
(2)获得不同海拔高度空气质量密度，分别输入FLUENT软件中，模拟计算得到各海拔高度条件不同安装角情况下，风机的有效功率P与安装角θ的关系曲线；
(3)对步骤(2)得到的曲线进行拟合，得到各海拔高度该轴流风机型号风机的有效功率P与安装角θ的计算公式；
(4)根据工程实际功率需要，利用步骤(3)计算式获得风机的安装角；
具体包括以下步骤：
步骤一、选定轴流风机型号，提取其基本结构参数；
步骤二、根据步骤一选择的风机基本结构参数，利用FLUENT前处理软件GAMBIT进行叶轮几何模型的建立；首先在GAMBIT中将风机叶片模型建立起来，随后在其基础上依次建立电机、支架、风筒形成轴流风机的整体结构模型；
步骤三、利用FLUENT软件对不同海拔、风机叶片不同安装角度进行组合计算，包括：
①在GAMBIT中建立叶片不同安装角的轴流风机模型；
②将①建立的模型导入FLUENT中，设置计算时的初始边界条件，包括气流入口、气流出口、风筒内壁、电机、支架、过渡面、叶片、风机段、入口风量、出口段，并划分网格；
③分别计算不同海拔高度的空气密度和气压，并将其设置为风机入口处的空气密度和气压后进行计算；
④提取各个工况计算结果中风机出口的全压，根据初设的风机流量可以得出风机的有效功率；
Pe＝△p.Q，其中Pe为风机有效功率，△p为风机出口全压，Q为风机流量；
⑤绘制同一海拔高度时，风机有效功率与叶片安装角之间的关系曲线，并拟合曲线，得到关系计算式；
步骤四、根据所选轴流风机所在海拔高度，重复以上步骤一、二、三，即可获得该海拔情况下，风机不同叶片安装角的有效功率，确定风机的安装角。
2.根据权利要求1所述的轴流风机叶片安装角度获得方法，其特征在于：所述步骤三中风机叶片不同安装角度分别选取20°、22°、24°、26°、28°进行计算。
3.根据权利要求2所述的轴流风机叶片安装角度获得方法，其特征在于：选取轴流风机型号SDZ260-8P，步骤三得到的模型计算式包括：
1)海拔为0m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P0＝3.7182θ+57.592
2)海拔为1000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P1000＝3.6024θ+55.807
3)海拔为2000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P2000＝3.5457θ+45.378
4)海拔为3000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P3000＝2.992θ+41.809
5)海拔为4000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P4000＝2.4818θ+38.532
6)海拔为5000m时，风机有效功率P随安装角θ变化值：
P5000＝2.2292θ+34.636
其中：P为轴流风机有效功率，单位kW；θ为轴流风机叶片安装角，单位度。
4.根据权利要求3所述的轴流风机叶片安装角度获得方法，其特征在于：根据轴流风机所在的实际海拔高度，选取1)至6)中与实际海拔高度两相邻的计算式，进行叶片安装角模拟计算，将结果根据实际海拔高度进行线性内插，获得到轴流风机在该海拔高度的叶片安装角。
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