高爐鼓風機喘振控制與優(yōu)化設計研究

1、高爐鼓風機喘振控制與優(yōu)化設計研究2010年第38卷第12期流體機械13文章編號:10050329(2010)12001305高爐鼓風機喘振控制與優(yōu)化設計研究趙洪雷,董學智,張華良,徐立民,譚春青(1.中船重工七.三研究所,黑龍江哈爾濱150036;2.中國科學院,北京100190)摘要:鋼鐵冶煉受季節(jié)影響較大,冬季工況鼓風機流量遠低于夏季工況,喘振是該工況設計中所需主要考慮的問題之一.針對一臺13級高爐鼓風機設計中出現(xiàn)的冬季工況喘振裕度過低問題,采用了多種優(yōu)化設計手段,其中包括s.葉型優(yōu)化,葉片稠度優(yōu)化,子午流道型線優(yōu)化等.設計結果表明,合理應用各種技術,可有效提高喘振裕度,同時確保具有較高的

2、設計性能.關鍵詞:高爐鼓風機;喘振;葉型優(yōu)化;稠度;子午型線中圖分類號:th453文獻標識碼:adoi:10.3969/j.issn.10050329.2010.12.004surgecontrolandoptimizationdesignonblastfurnaceblowerzhaohong.1ei,dongxue.zhi,zhanghualiang,xuli.min,tanchun-qing(1.no.703researchinstituteofcsic,harbin150036,china;2.chineseacademyofsciences,beijing100190,china)a

3、bstract:seasonhasagreatinflueneeonthesmeltingoftheironandstee1.theflowrateofablastfumaceblowerinwinterisfarlowerthanthatinsummer.surgeoccurringinwinterconditionisoneofthemainproblemstobeconsideredinthedesignofblastfurnaceblower.tosolvetheproblemoflowsurgemargininwintercondition,inthedesignofa13一stag

4、eblastfurnaceblower,manyoptimizationdesignmethodswereadopted,includingslbladeprofileoptimization,bladesolidityoptimization,meridionalchanneloptimizationandsoo13.thedesignresultsprovethatreasonablyapplyingallsortsoftechniquesinthedesigncanef-fectivelyincreasesurgemarginandatthesametime,insurehighdesi

5、gnperformanceoftheblastfurnaceblower.keywords:blastfurnaceblower;surge;bladeprofileoptimization;solidity;meridionalchannel1前言在高爐鼓風機的運行中,用戶往往根據(jù)爐況需要或由于季節(jié)的變化調(diào)節(jié)鼓風機,以適應系統(tǒng)對壓力,流量的要求.由于高爐產(chǎn)量受季節(jié)影響較大,冬季供風量小,夏季供風量大,鼓風機運行的風量全年變化大.在冬季工況,由于風量較小,喘振是鼓風機設計所需要解決的重要問題,要確保在冬季工況不喘振,不需要放氣j.針對用戶提供的參考機組經(jīng)過模化設計后的13級鼓風機在冬季工況下流

6、動發(fā)生喘振的問題,采用了多種優(yōu)化設計手段,其中包括s1葉型優(yōu)化,葉片稠度優(yōu)化,子午型線優(yōu)化等.通過多種優(yōu)收稿日期:20100406修稿日期:20100830化設計手段確保了鼓風機在冬季工況具有較高的喘振裕度和良好的性能.2初始設計根據(jù)設計要求,此l3級高爐鼓風機的年平均工況流量為1448nm/min(即31.1kg/s),夏季工況最大流量為1640nm/min(即35.2kg/s),冬季工況最小流量為1251nm/min(即26.9ks).同時要求在3種工況下出口工作壓力均保持為總壓0.4mpa(即壓比均達到4.0).可以看到設計中要求流量變化范圍較大,年平均流量較冬季工況流量高了15.7%,

7、夏季工況相比冬季工況高了14fluidmachineryvo1.38,no.12,201031.1%(通常的設計,一般要求流量變化在10%20%).盡管采用全部靜葉可調(diào)設計,但由于流量變化較大,同時要求壓比不變,很難避免冬季工況不發(fā)生喘振.另外,在設計中考慮到加工和維護的需求,對鼓風機結構提出了一些特殊的要求.首先要求動,靜葉盡量采用較少的葉型以降低加工成本,并提高鼓風機的可維護性,同時要求靜葉盡量采用直葉片.受加工條件限制,采用了等內(nèi)徑設計,設計內(nèi)徑為450mm.為了利用已有變速齒輪箱,節(jié)約成本,確定轉(zhuǎn)速為7222r/min.在以上給定初始條件下,參考已有的11級高爐鼓風機設計參數(shù),通過?；?/p>

8、加級完成了13級高爐鼓風機的初始設計,然后采用cfd求解對設計結果進行性能計算和分析.計算采用numeca軟件,定常計算,s.a湍流模型,二階迎風差分格式.邊界條件為進口給定總壓,總溫,氣流角分布,出口給定靜壓,壁面給定無滑移邊界條件.計算網(wǎng)格采用所謂h.0.h型結構化網(wǎng)格,計算區(qū)域網(wǎng)格由h,o和h型3種網(wǎng)格依次連接而成,即進出口段采用h型網(wǎng)格,葉片區(qū)域采用o型網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)約300萬,計算網(wǎng)格見圖1.為減少網(wǎng)格對計算結果的影響,全部優(yōu)化過程采用相同的網(wǎng)格拓撲結構.圖1計算l碉格不意通過計算發(fā)現(xiàn):在年平均工況點和夏季工況點,鼓風機能達到設計要求(壓比,流量和效率),并具有一定的喘振裕度(>

9、;20%);但在冬季工況,鼓風機無法穩(wěn)定運行,流動近喘(<1%).計算結果見表1.表1初步設計計算結果年平均工況夏季工況冬季工況壓比4.o4.04.0流量(kg/s)效率(%)90.589.0喘振裕度(%)21.234.5近喘3改型設計方案圖2(a)8(a)為第一級靜葉在冬季工況下設計點的原型(優(yōu)化前)流線分布及壁面極限流線.(a)原型(b)改型圖23%葉高流線(a)原型(b)改型圖35%葉高流線(a)原型(b)改型圖450%葉高流線2010年第38卷第l2期流體機械l5(a)原型(b)改型圖595%葉高流線(a)原型(b)改型圖6根部極限流線(a)原型(b)改型

10、圖7頂部極限流線(a)原型(b)改型圖8根部和吸力面極限流線從圖中可以看到,葉柵內(nèi)流動存在較大的分離,特別是葉柵根部區(qū)域分離最為嚴重.葉柵吸力面根部位置的分離會降低鼓風機的效率,同時由于分離會導致葉柵內(nèi)流動不均勻,將誘發(fā)喘振.原設計鼓風機在冬季工況點無法正常工作,在調(diào)整到最優(yōu)的可調(diào)導葉角度的工況下,仍然近喘,不能滿足設計的要求.因此除非對其進行改型設計,否則在實際運行中只能提高流量并放氣以保證鼓風機穩(wěn)定工作,造成能源的浪費.并且由于前面幾級的氣動性能對整機的性能影響較大,根據(jù)分析和權衡,決定對第一級靜葉葉型進行改型設計.同時,其他部分靜葉也與之類似,也進行必要的優(yōu)化,這里就不再說明.由于受強度

11、震動方面的限制,對動葉進行改型較為困難,以及加工方面的要求,并對現(xiàn)有的各種壓氣機優(yōu)化手段進行對比后,決定采用以下3種主要優(yōu)化設計手段:(1)改變部分不合理的靜葉葉型,通過調(diào)整載荷分布,提高靜葉流動效率和流動穩(wěn)定性;(2)改變動,靜葉部分級的稠度,以調(diào)整落后角使載荷分配和動靜也匹配更趨于合理;(3)調(diào)整了通道尺寸,改變了子午型線.3.1葉型優(yōu)化設計中采用了s流面反問題求解的方法,計算采用中國科學院工程熱物理研究所自有程序j,給定新的表面靜壓分布規(guī)律反算葉型型線,然后通過s流面正問題求解演算設計值,最后通過三維cfd計算來對比分析計算最終的設計結果.圖9所示為第一級靜葉改型前后的型線示意圖,主要是

12、葉片的折轉(zhuǎn)角略有減小,適當增加了葉片前部的載荷分布.圖9改型前后葉型示意3.2葉型稠度和子午流道優(yōu)化為進一步提高喘振裕度,對中間各級動,靜葉稠度進行了優(yōu)化,同時改變了進出口的尺寸,進而改變的流道的斜率.主要是適當減少了葉片弦長相對較短但折轉(zhuǎn)角卻相對較大的中間各級的葉片數(shù),以及略微增大子午流道外徑的斜率,達到適當16fluidmachineryvo1.38,no.12,2010減少中間幾級的加功量并適當提高前面幾級的加功量的效果.4優(yōu)化后的性能圖2(b)一8(b)示出第一級靜葉在冬季工況o1.0()下設計點的改型(優(yōu)化后)流線分布及壁面極限流線.從圖中可以看出,改型后葉柵內(nèi)的流動分離基本消除,無

13、論是根部還是吸力面漩渦都消除了,流動大為改善.其他進行優(yōu)化的靜葉也與之類似.圖l0示出改型前,后第一級靜葉在冬季工況設計點下的表面靜壓分布.0.o0.51.o.曰(b)50%葉高曰(e)90%葉高圖10原型與改型表面靜壓分布由圖可見,在葉柵中部(50%葉高),吸力面設計要求(大于20%).改型后的逆壓梯度要明顯小于原型葉片.壓力面在夏季工況,隨著流量的增加,效率略有降一側的逆壓梯度也略有降低.由于逆壓梯度是引低,但同時工作區(qū)域遠離工作點,具有更大的喘振起葉柵邊界層流動分離的重要因素,特別是吸力裕度(大于30%).面一側,較大的逆壓梯度會使吸力面分離提前,葉型損失增加.另外分離流動進入葉柵流道中

14、會與主流摻混,惡化葉柵內(nèi)的流場分布,導致二次流損失增加.在葉根位置(10%葉高)葉片吸力面?zhèn)缺砻鎵毫β杂刑岣?同時壓力面壓力提高較大,在根部吸力面逆壓梯度與最低壓力點位置改變不大.但由于改型后吸力面與壓力面問的壓差變減弱角渦和二次流,進而降低根部的流動損失.在葉頂位置(90%葉高),改型后壓力面一側的靜壓比原型有所降低,同時在吸力面一側,靜壓提高逆壓梯度減小.壓力面與吸力面間的壓差減小會.,減弱角渦和二次流,降低頂部二次流損失.另外吸力面逆壓梯度的減少會推遲轉(zhuǎn)捩的發(fā)生,降低葉型損失.圖1113所示分別為年冬夏兩季和年平均工況的特性線.由圖可以看到在年平均工況,鼓風機在設計點具有較高的效率(90

15、%),同時喘振裕度也滿足27.529總量(kg/s)(a)流量一壓比流量(kg,s)(b)流量一效率圖l1冬季工況特性線o一向葉佃2010年第38卷第l2期流體機械17丑岜85一一料75流量(kg/s)(a)流量一壓比32.o34.537.o流量(kg/s)(b)流量一效率圖l2夏季工況特性線流量(kg/s)(a)流量一壓比流量(kg/s)(b)流量一效率圖13年平均工況特性線在冬季工況,由于流量減小較大,效率和喘振裕度都有所下降,但總體上仍滿足設計要求(已經(jīng)由原來的不足1%提高到8%左右).5結語(1)針對多級鼓風機在低流量工況下發(fā)生喘振的問題進行了優(yōu)化設計方法研究.(2)采用葉型優(yōu)化,稠度

16、優(yōu)化和子午型線優(yōu)化設計等方法,有效地提高了鼓風機在低流量工況點的喘振裕度.(3)優(yōu)化設計后,鼓風機不僅在低流量工況可以穩(wěn)定運行,在其它工況也保持了較高的工作性能.參考文獻李占良,袁民健,安衛(wèi)平,等.一種新型帶軸向進氣預旋調(diào)節(jié)器的離心式高爐鼓風機j.流體機械,2002.30(7):1720.吳玉林,陳慶光,劉樹紅.通風機和壓縮機m.北京:清華大學出版社,2005.wangzhengming,cairuixian,chenhoni.eta1.athree-dimensionalinversemethodusingnavier?-stokesequationsforturbomachinerybladingj.internationaljournal,inverseproblemsinengineering,)2000,8:529-551.,wangzhengming.amethodforaerodynamicdesignofbladesinquasi一3dcalculationofturbomachine.trans.asmej.journalofturbomachinery,1988,110(2):529-551.wuchunghua.wangzhengming,chenhongji.three.dimensionalrotationalflowintran