引言：电站动叶可调式轴流风机是火力发电厂重要的大型通风设备，其叶轮的动力特性直接影响到整个风机的运行效率和稳定性。为了深入研究叶轮动力特性及其影响因素，本文通过实验研究和分析，对电站动叶可调式轴流风机叶轮的动力特性进行了详细探讨。
1叶轮结构及工作原理
电站动叶可调式轴流风机叶轮结构主要包括叶片、轮毂和轴承等部分，其工作原理是利用高速旋转的叶轮将空气从进口吸入，通过叶片加速并压送至出口，从而实现通风输送。这种轴流风机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，被广泛应用于电站、化工、冶金、建材等领域。叶片是叶轮的核心部分，其数量、形状和角度等参数会影响到风机的性能，轮毂是连接叶片和轴承的部分，其质量和强度直接关系到叶轮的稳定性和耐用性[1]。轴承是支撑叶轮旋转的重要组成部分，其精度、寿命和润滑等因素会影响到风机的运行效率和寿命，当风机启动时，电机驱动叶轮旋转，叶轮的旋转将空气从进口吸入，随着叶轮的旋转，叶片对空气进行加速和压缩，使空气的流速和压力增加，经过加速和压缩的空气被压送至出口，实现通风输送。
2实验数据处理与分析
2.1风机流场模拟
轴流式风机具有比速高、流量大、全压小的特性，适用于大容量机组的送风和引风机。目前，双级动叶轴流风机已被广泛应用于大型锅炉。以某热电厂660 MW超超临界发电机组一次风机为研究对象。图1是此风机的简化结构（进气箱未示出），1表示收集器，2表示扩散器，R₁、R₂分别为I级叶轮和II级叶轮，紧邻两级叶轮后分别布置一级后导叶，其中S₁对应I级后导叶，S₂对应于II级导叶。表1列明了此台轴流式风机的关键结构参数，根据轴毂与叶轮直径的关系，分析了其轮毂比在0.668左右，属大轮毂比风机，本文将轴流风机分为6个不同的区域，并对其进行数值模拟，所得出三维几何模型见图2。
图1 动叶可调式轴流风机结构
表1 轴流风机结构参数
图2 轴流风机三维几何模型
2.2叶片静力结构分析
由于流道内气体周向呈顺压力梯度，所以整个压力面上的静压比受力面要大，而在叶片受力面及附近有两个较小的负压区，主要是由于最大静压发生在接近叶片受力面后缘处，且在近缘处的静压比近缘区要小，与来流方向上的增压倾向相一致。叶片受力面上的静压力主要是由进气前缘向后缘逐渐增加，叶片尾缘处出现了较窄的正压区，受叶片进气侧和叶片出气侧之间的压差影响，一部分空气从叶尖处流入狭小的叶片受力区，与来流干扰形成干扰，在叶片受力面形成一个低压区。
基于上述原因，本文分析了叶片在各种荷载作用下的静结构性能，发现在只施加离心力时，其等效应力达到14.30MPa，其最大等效应力集中在叶片根部，其截面面积最大，受到整个叶片的离心力的作用[2]。叶片表面的等效应力随着叶片高度的降低而降低，叶片顶部的等效应力只有0.0187MPa。在圆周方向上，受力面的中间部分有较高的应力，而前缘和尾缘处的应力则很小。结果表明：自重效应对叶片等效应力影响不大，当量应力只增加了0.4%，在计算时可忽略，在只计等效应力的情况下，其等效应力为5.664MPa，最大值发生在叶片受力面中部的前缘附近。当负载达到满负荷时，其最大等效应力降低至13.72MPa，其等效应力分布也有很大改变，最大等效应力出现在叶片尾部。综上所述，由于气动载荷是由空气对叶片产生的静压，在考虑流固耦合效应的情况下，叶片的等效应力峰值会稍有下降；两个作用力的方向都是垂直的，而离心力则是在叶轮的径向上。在这两种因素的综合影响下，叶根处的应力分布发生了很大的改变，叶根处的应力峰值也出现了偏移。
在单离心荷载作用下，最大位移在叶顶后缘点处产生，最大变形达到0.266mm，且在对角线方向上叶片的最大变形量逐渐降低，而在叶根附近没有明显变形。在叶片受力情况下，叶片整体变形基本保持不变，最大总变形只增加了1.3%，最大总变形出现在叶顶前缘，最大变形达到0.284mm。在满负荷作用下，叶片的整体变形分布有很大改变，且在叶背上形成了一条“人”形的小变形区。最大变形值出现在叶片前端，变形量最大值仅为0.198mm。空气动力与叶片表面垂直，并对叶片产生了一定的压强，这两种作用对叶片的影响是互相重叠的，主要表现在叶片的整体变形分配和最大变形量的减少[3]。
为了更详细地分析叶轮叶片的应力分布情况，在只考虑转动离心力的情况下，叶片根部会出现应力集中，其最大值发生在叶片根部与轮毂的接合处，其等效应力最高可达66.063Mpa。考虑自重负荷后，叶轮等效应力变化较小，最大应力只增加了0.16%。计算结果表明，在设计流量作用下，叶轮等效载荷的最大等效压力只有5.4484MPa，比离心力要小得多，最大应力发生在受力面中间，并且沿着圆周方向有逐渐减小的趋势。在考虑流固耦合效应的情况下，将离心力、重力和气动力共同作用于叶轮上，得到最大当量力为90MPa，减小了6.2%。
结论：
在考虑静力荷载后，叶根的等效应力分布变得更为复杂和不规则，这种不规则的应力分布可能使叶根处的应力集中现象更为严重。轴流式叶片的峰值等效应力远小于叶轮材料的许用应力90MPa，说明在正常工作条件下，轴流风机的静强度满足要求，可以保证其正常工作和运行。
参考文献：
[1]杜翠凤,范德珍,王远.矿用轴流风机的中低频噪声隔声板设计优化研究[J].矿业研究与开发,2023,43(10):188-194.
[2]王博磊,巩振泉,牟法海.一种双级动叶可调轴流风机的动平衡方法[J].电站辅机,2023,44(03):23-27.
[3]杨天康,叶学民,刘洋等.叶顶开槽-小翼结构对轴流风机性能和噪声影响的数值研究[J].动力工程学报,2023,43(09):1123-1131.
