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風(fēng)機安裝與維護
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負(fù)壓風(fēng)機廠電站空冷風(fēng)機設(shè)計條件及實驗設(shè)計結(jié)果風(fēng)機泵類調(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)計了空冷風(fēng)機葉片，并利用CFD求解器Numeca對空冷風(fēng)機的內(nèi)部三維粘性流場進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了風(fēng)機內(nèi)部的許多流動細(xì)節(jié)、規(guī)律及性能參數(shù)。
同時，還與采用等α的變環(huán)量流型設(shè)計的風(fēng)機進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：采用5次方流型設(shè)計的空冷風(fēng)機效率要比等α流型的風(fēng)機效率高10％左右。
因此，采用5次方流型設(shè)計的空冷風(fēng)機具有明顯的節(jié)能效果。
5次方流型及其特點 一般工業(yè)用軸流通風(fēng)機的設(shè)計多采用全壓p沿動葉葉高按等α規(guī)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(shè)計時不能滿足假設(shè)條件而使風(fēng)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(fēng)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(shè)計空冷風(fēng)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(fēng)機的實際情況。5次方流型中的6個待定常數(shù)由徑向平衡方程、連續(xù)性方程及動量方程確定。6個待定常數(shù)的初值可根據(jù)通風(fēng)機的總體氣動參數(shù)：全壓和流量，結(jié)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(fù)迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數(shù)。最后按一般計算方法計算出通風(fēng)機的各項氣動數(shù)據(jù)�！ �
在計算時，應(yīng)考慮以下幾條原則：(1)由于空冷風(fēng)機葉輪前后均無導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)動能 (3)由于空冷風(fēng)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(shè)計不合理會影響整個流場，影響通風(fēng)機的效率，故而應(yīng)使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2 計算實例 空冷風(fēng)機的主要設(shè)計參數(shù)：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉(zhuǎn)速122r/min。根據(jù)上述計算方法，得到所設(shè)計空冷風(fēng)機應(yīng)采用的流型為 風(fēng)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(shè)計得非常小，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(shè)計中，把風(fēng)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(jīng)典的軸流通風(fēng)機設(shè)計計算步驟即可得到空冷風(fēng)機的各項氣動數(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)機設(shè)計給出的幾何參數(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)機網(wǎng)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(jìn)法的Jamson格式，有限體積方法離散。 邊界條件為 (1)進(jìn)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(jìn)氣。 (2)出口：給定質(zhì)量流量。出口給定質(zhì)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(jié)果。(3)壁面：給定絕熱和無滑移條件。3.3 計算結(jié)果及分析采用5次方流型設(shè)計的風(fēng)機，在設(shè)計工況點時，全壓比等流型的風(fēng)機全壓高20Pa左右。但5次方流型風(fēng)機的全壓梯度較小，這樣，冷風(fēng)機流量受環(huán)境風(fēng)速等的影響較大。風(fēng)機的全壓效率是反映風(fēng)機性能的重要指標(biāo)。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(jìn)行葉輪性能預(yù)估。
關(guān)鍵詞：變頻器 調(diào)速裝置 風(fēng)機 水泵
我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機、水泵設(shè)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(fēng)機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(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、閥門地截流過程中。由于風(fēng)機、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、水泵轉(zhuǎn)速下降時，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)計中，用戶水泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。
采用變頻器驅(qū)動具有很高的節(jié)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(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國國家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風(fēng)機泵類負(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，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，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，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。
2、功率因數(shù)補償節(jié)能
無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，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴(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，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
3、軟啟動節(jié)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(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(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(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護費用。
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因此，采用5次方流型設(shè)計的空冷風(fēng)機具有明顯的節(jié)能效果。
5次方流型及其特點 一般工業(yè)用軸流通風(fēng)機的設(shè)計多采用全壓p沿動葉葉高按等α規(guī)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(shè)計時不能滿足假設(shè)條件而使風(fēng)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(fēng)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(shè)計空冷風(fēng)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(fēng)機的實際情況。5次方流型中的6個待定常數(shù)由徑向平衡方程、連續(xù)性方程及動量方程確定。6個待定常數(shù)的初值可根據(jù)通風(fēng)機的總體氣動參數(shù)：全壓和流量，結(jié)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(fù)迭代，試算最終可以確定流型中的全部待定常數(shù)。最后按一般計算方法計算出通風(fēng)機的各項氣動數(shù)據(jù)�！ �
在計算時，應(yīng)考慮以下幾條原則：(1)由于空冷風(fēng)機葉輪前后均無導(dǎo)葉，葉輪出口旋轉(zhuǎn)動能 (3)由于空冷風(fēng)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(shè)計不合理會影響整個流場，影響通風(fēng)機的效率，故而應(yīng)使葉根附近葉片的扭曲程度盡量平緩。2 計算實例 空冷風(fēng)機的主要設(shè)計參數(shù)：流量694.44m3/s，全壓205Pa，葉輪轉(zhuǎn)速122r/min。根據(jù)上述計算方法，得到所設(shè)計空冷風(fēng)機應(yīng)采用的流型為 風(fēng)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(shè)計得非常小，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(shè)計中，把風(fēng)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(jīng)典的軸流通風(fēng)機設(shè)計計算步驟即可得到空冷風(fēng)機的各項氣動數(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)機設(shè)計給出的幾何參數(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)機網(wǎng)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(jìn)法的Jamson格式，有限體積方法離散。 邊界條件為 (1)進(jìn)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(jìn)氣。 (2)出口：給定質(zhì)量流量。出口給定質(zhì)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(jié)果。(3)壁面：給定絕熱和無滑移條件。3.3 計算結(jié)果及分析采用5次方流型設(shè)計的風(fēng)機，在設(shè)計工況點時，全壓比等流型的風(fēng)機全壓高20Pa左右。但5次方流型風(fēng)機的全壓梯度較小，這樣，冷風(fēng)機流量受環(huán)境風(fēng)速等的影響較大。風(fēng)機的全壓效率是反映風(fēng)機性能的重要指標(biāo)。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(jìn)行葉輪性能預(yù)估。
關(guān)鍵詞：變頻器 調(diào)速裝置 風(fēng)機 水泵
我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機、水泵設(shè)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(fēng)機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(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、閥門地截流過程中。由于風(fēng)機、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、水泵轉(zhuǎn)速下降時，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)計中，用戶水泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。
采用變頻器驅(qū)動具有很高的節(jié)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(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，中國國家能源法第29條第二款也明確規(guī)定風(fēng)機泵類負(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，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，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，其耗電量為6.875KW，省電87.5%。
2、功率因數(shù)補償節(jié)能
無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，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴(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，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
3、軟啟動節(jié)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(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(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(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護費用。
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