高爐鼓風(fēng)機(jī)喘振控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1、高爐鼓風(fēng)機(jī)喘振控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究2010年第38卷第12期流體機(jī)械13文章編號(hào):10050329(2010)12001305高爐鼓風(fēng)機(jī)喘振控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究趙洪雷,董學(xué)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(xué)院,北京100190)摘要:鋼鐵冶煉受季節(jié)影響較大,冬季工況鼓風(fēng)機(jī)流量遠(yuǎn)低于夏季工況,喘振是該工況設(shè)計(jì)中所需主要考慮的問題之一.針對(duì)一臺(tái)13級(jí)高爐鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果表明,合理應(yīng)用各種技術(shù),可有效提高喘振裕度,同時(shí)確保具有較高的

2、設(shè)計(jì)性能.關(guān)鍵詞:高爐鼓風(fēng)機(jī);喘振;葉型優(yōu)化;稠度;子午型線中圖分類號(hào):th453文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(fēng)機(jī)的運(yùn)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(fēng)機(jī),以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)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(fēng)量小,夏季供風(fēng)量大,鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的風(fēng)量全年變化大.在冬季工況,由于風(fēng)量較小,喘振是鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)用戶提供的參考機(jī)組經(jīng)過?；O(shè)計(jì)后的13級(jí)鼓風(fēng)機(jī)在冬季工況下流

6、動(dòng)發(fā)生喘振的問題,采用了多種優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)手段確保了鼓風(fēng)機(jī)在冬季工況具有較高的喘振裕度和良好的性能.2初始設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求,此l3級(jí)高爐鼓風(fēng)機(jī)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(shí)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(dá)到4.0).可以看到設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),一般要求流量變化在10%20%).盡管采用全部靜葉可調(diào)設(shè)計(jì),但由于流量變化較大,同時(shí)要求壓比不變,很難避免冬季工況不發(fā)生喘振.另外,在設(shè)計(jì)中考慮到加工和維護(hù)的需求,對(duì)鼓風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)提出了一些特殊的要求.首先要求動(dòng),靜葉盡量采用較少的葉型以降低加工成本,并提高鼓風(fēng)機(jī)的可維護(hù)性,同時(shí)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(shè)計(jì),設(shè)計(jì)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(jí)高爐鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù),通過?；?/p>

8、加級(jí)完成了13級(jí)高爐鼓風(fēng)機(jī)的初始設(shè)計(jì),然后采用cfd求解對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行性能計(jì)算和分析.計(jì)算采用numeca軟件,定常計(jì)算,s.a湍流模型,二階迎風(fēng)差分格式.邊界條件為進(jìn)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(jì)算網(wǎng)格采用所謂h.0.h型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,計(jì)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(jìn)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(jì)算網(wǎng)格見圖1.為減少網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,全部優(yōu)化過程采用相同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).圖1計(jì)算l碉格不意通過計(jì)算發(fā)現(xiàn):在年平均工況點(diǎn)和夏季工況點(diǎn),鼓風(fēng)機(jī)能達(dá)到設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行,流動(dòng)近喘(<1%).計(jì)算結(jié)果見表1.表1初步設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)方案圖2(a)8(a)為第一級(jí)靜葉在冬季工況下設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jī)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(dòng)存在較大的分離,特別是葉柵根部區(qū)域分離最為嚴(yán)重.葉柵吸力面根部位置的分離會(huì)降低鼓風(fēng)機(jī)的效率,同時(shí)由于分離會(huì)導(dǎo)致葉柵內(nèi)流動(dòng)不均勻,將誘發(fā)喘振.原設(shè)計(jì)鼓風(fēng)機(jī)在冬季工況點(diǎn)無法正常工作,在調(diào)整到最優(yōu)的可調(diào)導(dǎo)葉角度的工況下,仍然近喘,不能滿足設(shè)計(jì)的要求.因此除非對(duì)其進(jìn)行改型設(shè)計(jì),否則在實(shí)際運(yùn)行中只能提高流量并放氣以保證鼓風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作,造成能源的浪費(fèi).并且由于前面幾級(jí)的氣動(dòng)性能對(duì)整機(jī)的性能影響較大,根據(jù)分析和權(quán)衡,決定對(duì)第一級(jí)靜葉葉型進(jìn)行改型設(shè)計(jì).同時(shí),其他部分靜葉也與之類似,也進(jìn)行必要的優(yōu)化,這里就不再說明.由于受強(qiáng)度

11、震動(dòng)方面的限制,對(duì)動(dòng)葉進(jìn)行改型較為困難,以及加工方面的要求,并對(duì)現(xiàn)有的各種壓氣機(jī)優(yōu)化手段進(jìn)行對(duì)比后,決定采用以下3種主要優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)效率和流動(dòng)穩(wěn)定性;(2)改變動(dòng),靜葉部分級(jí)的稠度,以調(diào)整落后角使載荷分配和動(dòng)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(shè)計(jì)中采用了s流面反問題求解的方法,計(jì)算采用中國科學(xué)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(shè)計(jì)值,最后通過三維cfd計(jì)算來對(duì)比分析計(jì)算最終的設(shè)計(jì)結(jié)果.圖9所示為第一級(jí)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(dāng)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(jìn)一步提高喘振裕度,對(duì)中間各級(jí)動(dòng),靜葉稠度進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)改變了進(jìn)出口的尺寸,進(jìn)而改變的流道的斜率.主要是適當(dāng)減少了葉片弦長相對(duì)較短但折轉(zhuǎn)角卻相對(duì)較大的中間各級(jí)的葉片數(shù),以及略微增大子午流道外徑的斜率,達(dá)到適當(dāng)16fluidmachineryvo1.38,no.12,2010減少中間幾級(jí)的加功量并適當(dāng)提高前面幾級(jí)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(jí)靜葉在冬季工況o1.0()下設(shè)計(jì)點(diǎn)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(dòng)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(dòng)大為改善.其他進(jìn)行優(yōu)化的靜葉也與之類似.圖l0示出改型前,后第一級(jí)靜葉在冬季工況設(shè)計(jì)點(diǎn)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(shè)計(jì)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(cè)的逆壓梯度也略有降低.由于逆壓梯度是引低,但同時(shí)工作區(qū)域遠(yuǎn)離工作點(diǎn),具有更大的喘振起葉柵邊界層流動(dòng)分離的重要因素,特別是吸力裕度(大于30%).面一側(cè),較大的逆壓梯度會(huì)使吸力面分離提前,葉型損失增加.另外分離流動(dòng)進(jìn)入葉柵流道中

14、會(huì)與主流摻混,惡化葉柵內(nèi)的流場分布,導(dǎo)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(shí)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(diǎn)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(jìn)而降低根部的流動(dòng)損失.在葉頂位置(90%葉高),改型后壓力面一側(cè)的靜壓比原型有所降低,同時(shí)在吸力面一側(cè),靜壓提高逆壓梯度減小.壓力面與吸力面間的壓差減小會(huì).,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(huì)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(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)具有較高的效率(90

15、%),同時(shí)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(jī)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(shè)計(jì)要求(已經(jīng)由原來的不足1%提高到8%左右).5結(jié)語(1)針對(duì)多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)在低流量工況下發(fā)生喘振的問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)等方法,有效地提高了鼓風(fēng)機(jī)在低流量工況點(diǎn)的喘振裕度.(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,鼓風(fēng)機(jī)不僅在低流量工況可以穩(wěn)定運(yùn)行,在其它工況也保持了較高的工作性能.參考文獻(xiàn)李占良,袁民健,安衛(wèi)平,等.一種新型帶軸向進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)器的離心式高爐鼓風(fēng)機(jī)j.流體機(jī)械,2002.30(7):1720.吳玉林,陳慶光,劉樹紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)m.北京:清華大學(xué)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