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负压风机厂电站空冷风机设计条件及实验设计结果风机泵类调速节能
本文采用沿展向载荷为5次方曲线的流型设计了空冷风机叶片，并利用CFD求解器Numeca对空冷风机的内部三维粘性流场进行数值模拟，获得了风机内部的许多流动细节、规律及性能参数。
同时，还与采用等α的变环量流型设计的风机进行了比较，结果表明：采用5次方流型设计的空冷风机效率要比等α流型的风机效率高10％左右。
因此，采用5次方流型设计的空冷风机具有明显的节能效果。
5次方流型及其特点 一般工业用轴流通风机的设计多采用全压p沿动叶叶高按等α规律分布，这样的流型基本上能自动满足简单的径向平衡条件，且沿叶高方向各截面的气流速度和全压比较均匀，损失较小。但这样的流型只有在整流条件比较好的流道中使用才会取得良好的效果，若用在整流不好的流道中，往往由于设计时不能满足假设条件而使风机的效率偏低。 （１）沿径向分配的载荷不是均匀的，叶片中间做功多，两端做功少；（２）在叶片中部，叶轮出口轴向气流速度较大，而在叶片两端，叶轮出口轴向气流速度较小。冷风机运行过程中，由于附面层及轮毂的影响，叶根和叶尖处的气流速度较低且均匀性差，而叶片中部流动情况相对较好。因此，采用5次方流型设计空冷风机，使叶片中部做功多，出口气流轴向速度大，正好符合空冷风机的实际情况。5次方流型中的6个待定常数由径向平衡方程、连续性方程及动量方程确定。6个待定常数的初值可根据通风机的总体气动参数：全压和流量，结合流型的特点，任意给定5次方曲线，用回归的方法即可得到。然后，通过反复迭代，试算最终可以确定流型中的全部待定常数。最后按一般计算方法计算出通风机的各项气动数据。
在计算时，应考虑以下几条原则：(1)由于空冷风机叶轮前后均无导叶，叶轮出口旋转动能 (3)由于空冷风机多采用小轮毂比，所以其叶根处气流条件最恶劣，叶根处设计不合理会影响整个流场，影响通风机的效率，故而应使叶根附近叶片的扭曲程度尽量平缓。2 计算实例 空冷风机的主要设计参数：流量694.44m3/s，全压205Pa，叶轮转速122r/min。根据上述计算方法，得到所设计空冷风机应采用的流型为 风机采用5次方流型时其出口扭速与等α流型的比较如图2所示。从图中看出，采用5次方流型时，在叶根和叶尖附近，做功量可以设计得非常小，使低效区尽量少消耗能量。这样，当两者的设计与使用条件相同时，5次方流型的效率要高于等α流型。 在设计中，把风机的效率高低放在首要位置，因此翼型宜选用平底机翼型（本文选用LS翼型）。最后通过经典的轴流通风机设计计算步骤即可得到空冷风机的各项气动数据。3 三维CFD分析3.1 建模与网格划分 划分网格之前首先要建立三维模型。而上述风机设计给出的几何参数，是叶片不同半径处叶型剖面二维坐标与安装角。为此,首先要把原来给出的叶型二维剖面坐标转换成考虑了安装角的三维坐标。转换后，将三维坐标数据导入FINE/AutoGrid中，即可生成风机网格。3.2 基本方程 控制方程采用的是时均N-S方程组并配合Baldwin-Lomax湍流模型。离散格式采用基于时间推进法的Jamson格式，有限体积方法离散。 边界条件为 (1)进口：给定流动总压为大气静压力，流动总温为大气静温，流动方向为轴向进气。 (2)出口：给定质量流量。出口给定质量流量时，出口压力是参考值。即如果收敛，给定的出口压力不会影响最后结果。(3)壁面：给定绝热和无滑移条件。3.3 计算结果及分析采用5次方流型设计的风机，在设计工况点时，全压比等流型的风机全压高20Pa左右。但5次方流型风机的全压梯度较小，这样，冷风机流量受环境风速等的影响较大。风机的全压效率是反映风机性能的重要指标。分别计算若干个工况点，并利用计算求得的压力场、速度场进行叶轮性能预估。
关键词：变频器 调速装置 风机 水泵
我国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%～50%，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此推广交流变频调速装置效益显著。
采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，中国国家能源法第29条第二款也明确规定风机泵类负载应该采用电力电子调速。
变频调速节能装置的节能原理
1、变频节能
由流体力学可知，P(功率)=Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%。
2、功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=s×COSΦ，Q=s×sINΦ，其中S—视在功率，P—有功功率，Q—无功功率，COSΦ—功率因数，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSΦ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、软启动节能
由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
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同时，还与采用等α的变环量流型设计的风机进行了比较，结果表明：采用5次方流型设计的空冷风机效率要比等α流型的风机效率高10％左右。
因此，采用5次方流型设计的空冷风机具有明显的节能效果。
5次方流型及其特点 一般工业用轴流通风机的设计多采用全压p沿动叶叶高按等α规律分布，这样的流型基本上能自动满足简单的径向平衡条件，且沿叶高方向各截面的气流速度和全压比较均匀，损失较小。但这样的流型只有在整流条件比较好的流道中使用才会取得良好的效果，若用在整流不好的流道中，往往由于设计时不能满足假设条件而使风机的效率偏低。 （１）沿径向分配的载荷不是均匀的，叶片中间做功多，两端做功少；（２）在叶片中部，叶轮出口轴向气流速度较大，而在叶片两端，叶轮出口轴向气流速度较小。冷风机运行过程中，由于附面层及轮毂的影响，叶根和叶尖处的气流速度较低且均匀性差，而叶片中部流动情况相对较好。因此，采用5次方流型设计空冷风机，使叶片中部做功多，出口气流轴向速度大，正好符合空冷风机的实际情况。5次方流型中的6个待定常数由径向平衡方程、连续性方程及动量方程确定。6个待定常数的初值可根据通风机的总体气动参数：全压和流量，结合流型的特点，任意给定5次方曲线，用回归的方法即可得到。然后，通过反复迭代，试算最终可以确定流型中的全部待定常数。最后按一般计算方法计算出通风机的各项气动数据。
在计算时，应考虑以下几条原则：(1)由于空冷风机叶轮前后均无导叶，叶轮出口旋转动能 (3)由于空冷风机多采用小轮毂比，所以其叶根处气流条件最恶劣，叶根处设计不合理会影响整个流场，影响通风机的效率，故而应使叶根附近叶片的扭曲程度尽量平缓。2 计算实例 空冷风机的主要设计参数：流量694.44m3/s，全压205Pa，叶轮转速122r/min。根据上述计算方法，得到所设计空冷风机应采用的流型为 风机采用5次方流型时其出口扭速与等α流型的比较如图2所示。从图中看出，采用5次方流型时，在叶根和叶尖附近，做功量可以设计得非常小，使低效区尽量少消耗能量。这样，当两者的设计与使用条件相同时，5次方流型的效率要高于等α流型。 在设计中，把风机的效率高低放在首要位置，因此翼型宜选用平底机翼型（本文选用LS翼型）。最后通过经典的轴流通风机设计计算步骤即可得到空冷风机的各项气动数据。3 三维CFD分析3.1 建模与网格划分 划分网格之前首先要建立三维模型。而上述风机设计给出的几何参数，是叶片不同半径处叶型剖面二维坐标与安装角。为此,首先要把原来给出的叶型二维剖面坐标转换成考虑了安装角的三维坐标。转换后，将三维坐标数据导入FINE/AutoGrid中，即可生成风机网格。3.2 基本方程 控制方程采用的是时均N-S方程组并配合Baldwin-Lomax湍流模型。离散格式采用基于时间推进法的Jamson格式，有限体积方法离散。 边界条件为 (1)进口：给定流动总压为大气静压力，流动总温为大气静温，流动方向为轴向进气。 (2)出口：给定质量流量。出口给定质量流量时，出口压力是参考值。即如果收敛，给定的出口压力不会影响最后结果。(3)壁面：给定绝热和无滑移条件。3.3 计算结果及分析采用5次方流型设计的风机，在设计工况点时，全压比等流型的风机全压高20Pa左右。但5次方流型风机的全压梯度较小，这样，冷风机流量受环境风速等的影响较大。风机的全压效率是反映风机性能的重要指标。分别计算若干个工况点，并利用计算求得的压力场、速度场进行叶轮性能预估。
关键词：变频器 调速装置 风机 水泵
我国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%～50%，而且通常在设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此推广交流变频调速装置效益显著。
采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前许多国家均已指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，中国国家能源法第29条第二款也明确规定风机泵类负载应该采用电力电子调速。
变频调速节能装置的节能原理
1、变频节能
由流体力学可知，P(功率)=Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5%。
2、功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=s×COSΦ，Q=s×sINΦ，其中S—视在功率，P—有功功率，Q—无功功率，COSΦ—功率因数，可知COSΦ越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，COSΦ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、软启动节能
由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
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