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电站空冷风机研究进展
发布时间：2013-04-01 08:43 来源：未知
由于水资源的匮乏和环境保护的要求，国内外富煤缺水地区的火电厂湿式冷却塔正逐渐被空气冷却设备所取代。目前，可供电站空冷选用的空冷系统有直接空冷(GEA)系统、采用混合式凝汽器的间接空冷(HL)系统以及采用表面式凝汽器的间接空冷(HAMON)系统。
我国最早由大同二电厂从国外引进2套200MW HL空冷系统，哈尔滨空调机厂在消化吸收国外技术的基础上，为内蒙古丰镇电厂制造了4套200MW国产HI空冷系统。此后，德国GEA公司与山西电力修造厂合作提供了太原二电厂2套200MW HAMON空冷系统。直接空冷系统在国外已得到广泛应用，其总装机容量高于间接空冷。我国直接空冷的研究始于20世纪60年代。上世纪70年代初，国家科委电站空冷试验小组，在山西侯马电厂1500kW机组上进行直接空冷凝汽器的工业试验，空冷试验设备由哈尔滨空调机厂制造。运行试验虽然获得成功，但在较长时间内一直未推广应用。直到2000年，在山西义望铁合金厂自备电厂2台6000kW发电机组项目建设中才开始选用直接空冷系统。该工程于同年9月投入运行，实现了国内首台电厂直接空冷系统的应用。后来大同一电厂、大同二电厂和内蒙古正兰旗电厂等在200—600MW大机组上相继采用直接空冷技术。但是总装机容量超过2000MW的直接空冷招标项目均被国外厂商竞标成功。其原因之一是空冷系统中国产配套风机的性能，特别是噪声水平不能满足环保要求。
直接空冷系统一般采用轴流风机，其性能优劣与叶片的叶型密切相关。截止目前，为适应环保对噪声水平的要求，国外对电厂直接空冷用大直径风机已进行了大量的研究，开发了多种新叶型的空冷风机。而国内的研发还停留在石油化工装置使用的追求单一高效率的小型空冷风机上，低噪声大直径风机的研制才刚刚起步。文中就国内外直接空冷用大直径轴流风机及其叶型特点进行评述，供研究者参考。
1、国外空冷风机发展现状与叶型特点
国外空冷器用风机的设计及制造企业主要有：美国Hudsen制造协会、Marly公司和Hartzell公司；荷兰Howdon公司；意大利Cofmco公司；日本世昌公司以及英国Woods公司等o Hudsen和Howdon公司设计制造空冷风机的历史较长，国内引进的产品也较多。Marly公司和Hartzell公司以制造设计冷却塔风机为主，日本世昌公司的产品是引进美国Hartzell公司的技术生产的，其产品我国也有引进。在国内新建电厂中已有引进意大利Cofimco公司的风机。以下主要介绍Hudsen风机、Howdon风机以及Cofimco风机的技术水平和叶型特点。
1.1Hudsen风机
1938年，美国Hudsen制造协会在世界上首次设计制造成功用于石化行业的空冷装置，与其配套的轴流风机为E型，后改为T型。1960年，在T型的基础上又相继推出TB型、TC型及TW型系列产品，并同时将其推广应用到冷却塔和隧道通风上。
Hudsen风机的直径为1.83—18.3m，叶片用环氧玻璃钢制作，叶片数在4～12片变化。轮毂有手动调角和自动调角2种，其中自动调角轮毂只限风机直径在4.27m以下使用，直径在4.88m以上的风机均采用手动调角轮毂。直径在1.83。4.27m的风机的轮毂尺寸相同，直径在4.88～6.10m的风机的轮毂尺寸相同，直径在6.71—9.14m的风机的轮毂尺寸相同。轮毂的规格少，增加了通用性。Hudsen风机上设有挡风盘，挡风盘不仅可以防止叶根处气体的回流，还可通过自身直径的变化确保风机具有恒定的轮毂比(0.3)。Hudsen风机的性能由1.52m的模型机在标准实验装置内测定并经性能相似换算得到，最高全压效率0.85，声压级噪声水平不大于85db(A)。
HudsenT型风机的叶片相对宽度、相对厚度及扭曲角随相对半径的变化曲线见图1一图3。从图1～图3可以看出：①TB型为标准宽度叶片，TC型为宽叶片，TW型为加宽叶片，且彼此间的宽度成一定比例。除叶根因结构需要而收缩外，3种叶片的宽度沿半径呈曲线分布。②3种叶片的相对厚度分布相同，叶片剖面形状均选用头部钝、厚度大、尾部反弯的低速翼型。③除叶片根部外，3种叶片扭曲角的分布规律相同。④同直径的3种叶片保持几何相似。
为了降低噪声，Hudsen公司相继研制出T-II的H型和HW型乙烯基脂玻璃钢叶片，用H型叶片代替TB型和-I℃型叶片，用HW型叶片代替TW型叶片，叶片形状有了明显的变化。尽管对新叶型风机的资料掌握不多，但从分析选型结果可以看到，在直径、叶片数、流量和静压相同的情况下，从B-C-H-W-HW型，叶片逐渐加宽，转速逐渐降低，轴功率趋于增加，效率趋于下降；声功率级逐渐降低。
1.2 Howdon风机
荷兰Howdon公司于1955年开发了T型风机，直径为1.22. 12.80m，叶片数3—8片。该系列风机早期为铸铝叶片，后改为玻璃钢叶片。叶片可安装在结构相同而尺寸不同的单板轮毂上，根据叶型的不同构成PFl'、LPFl'和VPFr型3种不同轮毂比的风机。其中PFl'型的轮毂比约为0.23，叶片数为3、4或6；低噪声LPFI'型轮毂比约为0.29，叶片数为4或6；最低噪声VPFr型轮毂比约为036，叶片数为8。叶片安装角有手动和自动2种方式。自动调角风机只限于直径4.88m以下使用。T型风机以静压效率表征，最高可达0.65。
Howdon公司在T型风机的基础上研发了新叶型的E型风机。E型风机有普通窄叶片ENF型、低噪声宽叶片ELF型和最低噪声加宽叶片的EL-FA型3个系列。为了适应噪声要求极为严格的使用条件，Howdon公司近年来又研发出宁静型的sx系列前掠叶片。
1.2.1 T型叶片
T型叶片有PFT型LPFI'型和VPFI'型3种。3种叶片构成的轮毂比不等，叶片数各异，3种叶片的平面形状近似于梯形，即叶根处宽度大于叶尖处宽度，尖削比近似为0.7，相对宽度沿半径的分布规律相同。T型叶片的剖面形状为头部钝、厚度大但尾部反弯的低速翼型，与Hudsen T型叶片的翼型相近。3种叶片的相对厚度沿径向分布以及扭曲角分布规律均相同。
1.2.2 E型叶片
E型叶片有ENF型，ELF型和ELFA型3种。同一直径风机的3种叶片构成的轮毂比相同。但在一定的直径尺寸范围内，由于采用直径相同的单板轮毅，致使该直径区段内的风机轮毅比略有差别。3种叶片的叶片数配置不尽相同。3种叶片的平面形状均为等宽度的矩形，其中ENF型较窄，ELF型较宽，ELFA型最宽，3种宽度间成一定比例。E型叶片选用的翼型及扭曲规律与T型叶片相同。
1.2.3 SX型叶片
为了达到“宁静”的噪声水平，以满足工程上某些的特殊需要，Howdon公司推出了直径1.22—5.49m的SX型叶片，其外形及安装见图4。其特点是：①叶片前掠，宽度加大，实度加大，轮毂比0.22。0.32，叶片数3—8。②所用翼型与E型叶片相同。③叶片有较大的空间扭曲型面。
近年来国外的大量研究结果表明，前掠式叶片有利于降低噪声，原因是：①叶片前掠可消除发生在不同半径处风机噪声的相位变化和叶片间的相互干扰。②叶片前掠可以限制低动量流体的径向移动范围，从而限制叶片后缘附面层漩涡的增长。③与常规的径向叶片相比，叶片前掠可使垂直于后缘线的旋转气流速度分量明显减少，致使诱发噪声的漩涡逐渐减弱。④前掠叶片采用了空间扭曲，叶片前缘处的大叶尖角可减少叶尖漩涡的脱落。
Howdon风机的噪声特性见表2
目前Howdon公司大量推广应用E型叶片，不提倡使用T型叶片，在噪声要求极其严格的场合下慎重选用SX型叶片。
1.3 Cofimco风机
意大利Cofimco公司始建于上世纪80年代。公司成立时间不长，但所开发的风机却独具特色，共有Z、M、U、G和AV型等5个系列的产品。Cofimco风机及其叶型特点是；①根据不同的使用要求，每个系列风机的使用规格均不相同。如系列风机的直径小于等于2.13m，属小型风机；G系列的直径小于等于12.20 m，属大型风机，且叶片数均可变化。②每个系列的结构形式及其与叶片的连接方式均不相同。如U型风机为单板轮毂，U型螺栓连接；G型风机为双板轮毂，垫块与长螺栓连接；而Z、M型风机则采用取得专利权的特种轮毂和特殊接头连接。除AV型为自动调角风机外，其他系列的风机均为手动调角。风机的轮毂比亦可改变。③Cofimco风机均为非扭曲机翼型等宽度叶片，适于采用铝合金挤压或玻璃钢拉挤工艺制作。所选用的翼型与Hudsen、Howdon风机的翼型相同或相近。④为降低噪声，Cofimco公司在上述叶片的基础上，通过在后缘处铆接等厚度弯板（俗称襟衣），构成宽度不等弯度不同的大实度叶片，即所谓机翼型与襟衣组合而成的非扭曲不等宽的大实度风机叶片，见图5。
2、国内空冷风机发展状况与叶型特点
2.1叶型
20世纪70年代前我国空冷装置使用的是VAV型铸铝叶片，其效率低，噪声高。随后研制出的F型玻璃钢叶片性能虽有提高，但流量范围窄，品种单一，故应用时间不长。此后，我国石化行业在引进大型装备的同时，也引进了空冷风机，其中美国Hudsen风机居多。哈尔滨空调机厂与兰州石油机械研究所等单位共同对Hudson风机进行了调研分析，由保定航空螺旋桨厂仿制成功。在此基础上哈尔滨空调机厂与保定螺旋桨厂合作，于1984年完成了我国空冷模型级的实验研究工作。通过对5种模型级的实验研究，选定高性能的模型级，探讨了不同叶型的风机性能，分析并验汪了实度对风机性能的影响，为我国空冷风机的选型提供了依据。此后，哈尔滨空调机厂于1987年成功地开发出了HK型叶片，在国内很快得到推广应用，抑制了进口并为出口创造了条件。
目前，HK叶型风机基本代表了我国空冷风机的技术水平，其叶片的宽度和扭曲角分布是借鉴国外风机叶片并通过气动设计的正、反计算后协调确定，叶片宽度呈二次曲线分布。翼型为一种先进的低速航空翼型GA(W)-II。相对厚度为0.17，它头部钝，前缘半径大，相对厚度大，上翼面较为平坦，下翼面尾部有一反弯。几何上的特点对设计制作玻璃钢叶片尤为适宜。该翼型的升阻比大，失速攻角大且失速平缓。气动性能上的特点对设计高效率、流量调节特性宽的轴流风机是相当有利的。
2.2气动设计与性能换算
在消化吸收国内外风机先进技术的过程中，轴流通风机的气动设计和噪声控制的关键技术在国内得到了较好地解决。
从轴流通风机产品的系列化设计上升到系列群化设计，从轴流通风机性能的相似换算发展为性能的实度换算，这是轴流通风机设计技术上的一次创新，对设计中的工程方法已有所突破。主要包括：①轴流通风机的实效应法则，建立了轴流通风机性能实换算的关系式。②轴流通风机的模块化设计。③轴流通风机的渐进设计方法。
2.3噪声预测与治理
风机作为重要的噪声污染源受到人们的普遍关注。空冷风机的噪声主要包括气动噪声、机械噪声和电磁噪声，其中气动噪声是主要噪声源。
在空冷风机的研制中，轴流风机的噪声与叶尖速度、静压、流量、功率、直径、叶片宽度和叶片数等气动参数及几何参数有关。其中最重要的是叶尖速度和风压，风机噪声JL乎与叶尖速度的6次方成正比。文献给出了标准空气条件下气动噪声预测的关联式。通过对关联式的分析可知：①叶尖速度对噪声影响很大，当叶尖的速度由61 m/s下降到41m/s时，平均声压级可下降10db。②在风机实度相同的条件下，采用叶片数少的宽叶片对降低噪声更有利。当静压和叶片长度保持不变时，若叶片宽度一定，叶片数增加2倍，平均声压级则增大3 db，反之若叶片数一定，平均叶片宽度增大2倍，平均声压级则增大1.5db。因此，文献进一步提出降低转速、增大实度和调整叶片安装角的降低噪声的方法，并取得了满意的效果。
3、结语
随着空冷风机特别是电站直接空冷风机的大型化，作为风机最重要的零件叶轮，其轮毂结构（单板或双板）及其与叶片的连接方式(U型螺栓或垫块与长螺栓)变化不大，而主要是在叶片结构和形状上进行更新和改变，总的趋势是：①叶片从二次曲线型向梯形或矩形平面形状简化，从扭曲向非扭曲演变。非扭曲的矩形叶片适用于挤压铝合金叶片或拉挤玻璃钢叶片的制作，有利于机械化大批量生产及提高产品质量和降低生产成本。由于空冷风机的压力很小，静压大都小于250Pa，通常在150Pa左右，设计制造非扭曲矩形叶片是可行的。②叶片大都选用头部钝、厚度大和尾部反弯的低速翼型。这种翼型不仅升阻比高且失速平缓，有利于提高效率和扩大最佳工作范围，对于提高中空叶片的总体刚度更为有利。③为满足降低噪声的技术要求，前掠叶片和机翼型与弯板襟衣相组合的叶片相比，前者工艺复杂，成本高，但降低噪声的效果更好。
国外空冷风机已实现了更新换代，通过对国外风机进展情况的分析可以看到，其更新换代遵循着性能与工艺兼顾、新叶型与老叶型兼容的原则。即不仅要考虑到满足气动性能和噪声特性的不同层次的使用需求，而且要兼顾叶片的制作工艺，以提高产品质量并降低成本。为保持自身产品的风格，一般将继承和创新相结合，在原有叶片基础上，通过轮毂比、叶片宽度、扭曲角度和叶片数的变化，达到改进风机性能的目的，这种方法可极大地减少研发费用。
与国外相比，国内空冷风机更新换代的速度缓慢，产品的多样性、个性化及叶片的制造工艺等方面尚存在较大差距。为适应国内火电厂的建设需求，推进空冷技术的进步，加快产品更新换代的步伐，研发新叶型的空冷风机势在必行，对此作者建议：①新叶型风机的研发要从系列化向系列群化转变，从传统的相似设计方法转变为渐进设计法，这是当今轴流风机设计的发展趋势，应引起高度重视。②全面规划空冷风机的型谱，确定实施产品系列化设计的方案，等轮毂比时，可通过改变叶片宽度（3—4种）和叶片数（4 - 10片）实现系列群产品；变轮毂比时，可利用等轮毂比的已有叶片和轮毂，运用组合设计的原理，组合出不同轮毂比的新系列群产品。③设计制造模型机或样机，开展试验研究。④完成上述工作后，开展前掠叶片等特殊叶型的研发。
