由于水資源的匱乏和環(huán)境保護(hù)的要求，國內(nèi)外富煤缺水地區(qū)的火電廠濕式冷卻塔正逐漸被空氣冷卻設(shè)備所取代。目前，可供電站空冷選用的空冷系統(tǒng)有直接空冷(GEA)系統(tǒng)、采用混合式凝汽器的間接空冷(HL)系統(tǒng)以及采用表面式凝汽器的間接空冷(HAMON)系統(tǒng)。
    我國最早由大同二電廠從國外引進(jìn)2套200MW HL空冷系統(tǒng)，哈爾濱空調(diào)機(jī)廠在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，為內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)電廠制造了4套200MW國產(chǎn)HI空冷系統(tǒng)。此后，德國GEA公司與山西電力修造廠合作提供了太原二電廠2套200MW HAMON空冷系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)在國外已得到廣泛應(yīng)用，其總裝機(jī)容量高于間接空冷。我國直接空冷的研究始于20世紀(jì)60年代。上世紀(jì)70年代初，國家科委電站空冷試驗(yàn)小組，在山西侯馬電廠1500kW機(jī)組上進(jìn)行直接空冷凝汽器的工業(yè)試驗(yàn)，空冷試驗(yàn)設(shè)備由哈爾濱空調(diào)機(jī)廠制造。運(yùn)行試驗(yàn)雖然獲得成功，但在較長時(shí)間內(nèi)一直未推廣應(yīng)用。直到2000年，在山西義望鐵合金廠自備電廠2臺(tái)6000kW發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目建設(shè)中才開始選用直接空冷系統(tǒng)。該工程于同年9月投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首臺(tái)電廠直接空冷系統(tǒng)的應(yīng)用。后來大同一電廠、大同二電廠和內(nèi)蒙古正蘭旗電廠等在200—600MW大機(jī)組上相繼采用直接空冷技術(shù)。但是總裝機(jī)容量超過2000MW的直接空冷招標(biāo)項(xiàng)目均被國外廠商競標(biāo)成功。其原因之一是空冷系統(tǒng)中國產(chǎn)配套風(fēng)機(jī)的性能，特別是噪聲水平不能滿足環(huán)保要求。
    直接空冷系統(tǒng)一般采用軸流風(fēng)機(jī)，其性能優(yōu)劣與葉片的葉型密切相關(guān)。截止目前，為適應(yīng)環(huán)保對噪聲水平的要求，國外對電廠直接空冷用大直徑風(fēng)機(jī)已進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)了多種新葉型的空冷風(fēng)機(jī)。而國內(nèi)的研發(fā)還停留在石油化工裝置使用的追求單一高效率的小型空冷風(fēng)機(jī)上，低噪聲大直徑風(fēng)機(jī)的研制才剛剛起步。文中就國內(nèi)外直接空冷用大直徑軸流風(fēng)機(jī)及其葉型特點(diǎn)進(jìn)行評述，供研究者參考。
1、國外空冷風(fēng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與葉型特點(diǎn)
    國外空冷器用風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)及制造企業(yè)主要有：美國Hudsen制造協(xié)會(huì)、Marly公司和Hartzell公司；荷蘭Howdon公司；意大利Cofmco公司；日本世昌公司以及英國Woods公司等o Hudsen和Howdon公司設(shè)計(jì)制造空冷風(fēng)機(jī)的歷史較長，國內(nèi)引進(jìn)的產(chǎn)品也較多。Marly公司和Hartzell公司以制造設(shè)計(jì)冷卻塔風(fēng)機(jī)為主，日本世昌公司的產(chǎn)品是引進(jìn)美國Hartzell公司的技術(shù)生產(chǎn)的，其產(chǎn)品我國也有引進(jìn)。在國內(nèi)新建電廠中已有引進(jìn)意大利Cofimco公司的風(fēng)機(jī)。以下主要介紹Hudsen風(fēng)機(jī)、Howdon風(fēng)機(jī)以及Cofimco風(fēng)機(jī)的技術(shù)水平和葉型特點(diǎn)。
1.1Hudsen風(fēng)機(jī)
    1938年，美國Hudsen制造協(xié)會(huì)在世界上首次設(shè)計(jì)制造成功用于石化行業(yè)的空冷裝置，與其配套的軸流風(fēng)機(jī)為E型，后改為T型。1960年，在T型的基礎(chǔ)上又相繼推出TB型、TC型及TW型系列產(chǎn)品，并同時(shí)將其推廣應(yīng)用到冷卻塔和隧道通風(fēng)上。
  Hudsen風(fēng)機(jī)的直徑為1.83—18.3m，葉片用環(huán)氧玻璃鋼制作，葉片數(shù)在4～12片變化。輪轂有手動(dòng)調(diào)角和自動(dòng)調(diào)角2種，其中自動(dòng)調(diào)角輪轂只限風(fēng)機(jī)直徑在4.27m以下使用，直徑在4.88m以上的風(fēng)機(jī)均采用手動(dòng)調(diào)角輪轂。直徑在1.83。4.27m的風(fēng)機(jī)的輪轂尺寸相同，直徑在4.88～6.10m的風(fēng)機(jī)的輪轂尺寸相同，直徑在6.71—9.14m的風(fēng)機(jī)的輪轂尺寸相同。輪轂的規(guī)格少，增加了通用性。Hudsen風(fēng)機(jī)上設(shè)有擋風(fēng)盤，擋風(fēng)盤不僅可以防止葉根處氣體的回流，還可通過自身直徑的變化確保風(fēng)機(jī)具有恒定的輪轂比(0.3)。Hudsen風(fēng)機(jī)的性能由1.52m的模型機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)測定并經(jīng)性能相似換算得到，最高全壓效率0.85，聲壓級噪聲水平不大于85db(A)。
  HudsenT型風(fēng)機(jī)的葉片相對寬度、相對厚度及扭曲角隨相對半徑的變化曲線見圖1一圖3。從圖1～圖3可以看出：①TB型為標(biāo)準(zhǔn)寬度葉片，TC型為寬葉片，TW型為加寬葉片，且彼此間的寬度成一定比例。除葉根因結(jié)構(gòu)需要而收縮外，3種葉片的寬度沿半徑呈曲線分布。②3種葉片的相對厚度分布相同，葉片剖面形狀均選用頭部鈍、厚度大、尾部反彎的低速翼型。③除葉片根部外，3種葉片扭曲角的分布規(guī)律相同。④同直徑的3種葉片保持幾何相似。
    為了降低噪聲，Hudsen公司相繼研制出T-II的H型和HW型乙烯基脂玻璃鋼葉片，用H型葉片代替TB型和-I℃型葉片，用HW型葉片代替TW型葉片，葉片形狀有了明顯的變化。盡管對新葉型風(fēng)機(jī)的資料掌握不多，但從分析選型結(jié)果可以看到，在直徑、葉片數(shù)、流量和靜壓相同的情況下，從B-C-H-W-HW型，葉片逐漸加寬，轉(zhuǎn)速逐漸降低，軸功率趨于增加，效率趨于下降；聲功率級逐漸降低。
1.2 Howdon風(fēng)機(jī)
    荷蘭Howdon公司于1955年開發(fā)了T型風(fēng)機(jī)，直徑為1.22. 12.80m，葉片數(shù)3—8片。該系列風(fēng)機(jī)早期為鑄鋁葉片，后改為玻璃鋼葉片。葉片可安裝在結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的單板輪轂上，根據(jù)葉型的不同構(gòu)成PFl'、LPFl'和VPFr型3種不同輪轂比的風(fēng)機(jī)。其中PFl'型的輪轂比約為0.23，葉片數(shù)為3、4或6；低噪聲LPFI'型輪轂比約為0.29，葉片數(shù)為4或6；最低噪聲VPFr型輪轂比約為036，葉片數(shù)為8。葉片安裝角有手動(dòng)和自動(dòng)2種方式。自動(dòng)調(diào)角風(fēng)機(jī)只限于直徑4.88m以下使用。T型風(fēng)機(jī)以靜壓效率表征，最高可達(dá)0.65。
    Howdon公司在T型風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)了新葉型的E型風(fēng)機(jī)。E型風(fēng)機(jī)有普通窄葉片ENF型、低噪聲寬葉片ELF型和最低噪聲加寬葉片的EL-FA型3個(gè)系列。為了適應(yīng)噪聲要求極為嚴(yán)格的使用條件，Howdon公司近年來又研發(fā)出寧靜型的sx系列前掠葉片。
1.2.1 T型葉片
    T型葉片有PFT型LPFI'型和VPFI'型3種。3種葉片構(gòu)成的輪轂比不等，葉片數(shù)各異，3種葉片的平面形狀近似于梯形，即葉根處寬度大于葉尖處寬度，尖削比近似為0.7，相對寬度沿半徑的分布規(guī)律相同。T型葉片的剖面形狀為頭部鈍、厚度大但尾部反彎的低速翼型，與Hudsen T型葉片的翼型相近。3種葉片的相對厚度沿徑向分布以及扭曲角分布規(guī)律均相同。
1.2.2 E型葉片
    E型葉片有ENF型，ELF型和ELFA型3種。同一直徑風(fēng)機(jī)的3種葉片構(gòu)成的輪轂比相同。但在一定的直徑尺寸范圍內(nèi)，由于采用直徑相同的單板輪毅，致使該直徑區(qū)段內(nèi)的風(fēng)機(jī)輪毅比略有差別。3種葉片的葉片數(shù)配置不盡相同。3種葉片的平面形狀均為等寬度的矩形，其中ENF型較窄，ELF型較寬，ELFA型最寬，3種寬度間成一定比例。E型葉片選用的翼型及扭曲規(guī)律與T型葉片相同。
1.2.3 SX型葉片
    為了達(dá)到“寧靜”的噪聲水平，以滿足工程上某些的特殊需要，Howdon公司推出了直徑1.22—5.49m的SX型葉片，其外形及安裝見圖4。其特點(diǎn)是：①葉片前掠，寬度加大，實(shí)度加大，輪轂比0.22。0.32，葉片數(shù)3—8。②所用翼型與E型葉片相同。③葉片有較大的空間扭曲型面。
    近年來國外的大量研究結(jié)果表明，前掠式葉片有利于降低噪聲，原因是：①葉片前掠可消除發(fā)生在不同半徑處風(fēng)機(jī)噪聲的相位變化和葉片間的相互干擾。②葉片前掠可以限制低動(dòng)量流體的徑向移動(dòng)范圍，從而限制葉片后緣附面層漩渦的增長。③與常規(guī)的徑向葉片相比，葉片前掠可使垂直于后緣線的旋轉(zhuǎn)氣流速度分量明顯減少，致使誘發(fā)噪聲的漩渦逐漸減弱。④前掠葉片采用了空間扭曲，葉片前緣處的大葉尖角可減少葉尖漩渦的脫落。
Howdon風(fēng)機(jī)的噪聲特性見表2
    目前Howdon公司大量推廣應(yīng)用E型葉片，不提倡使用T型葉片，在噪聲要求極其嚴(yán)格的場合下慎重選用SX型葉片。
1.3 Cofimco風(fēng)機(jī)
    意大利Cofimco公司始建于上世紀(jì)80年代。公司成立時(shí)間不長，但所開發(fā)的風(fēng)機(jī)卻獨(dú)具特色，共有Z、M、U、G和AV型等5個(gè)系列的產(chǎn)品。Cofimco風(fēng)機(jī)及其葉型特點(diǎn)是；①根據(jù)不同的使用要求，每個(gè)系列風(fēng)機(jī)的使用規(guī)格均不相同。如系列風(fēng)機(jī)的直徑小于等于2.13m，屬小型風(fēng)機(jī)；G系列的直徑小于等于12.20 m，屬大型風(fēng)機(jī)，且葉片數(shù)均可變化。②每個(gè)系列的結(jié)構(gòu)形式及其與葉片的連接方式均不相同。如U型風(fēng)機(jī)為單板輪轂，U型螺栓連接；G型風(fēng)機(jī)為雙板輪轂，墊塊與長螺栓連接；而Z、M型風(fēng)機(jī)則采用取得專利權(quán)的特種輪轂和特殊接頭連接。除AV型為自動(dòng)調(diào)角風(fēng)機(jī)外，其他系列的風(fēng)機(jī)均為手動(dòng)調(diào)角。風(fēng)機(jī)的輪轂比亦可改變。③Cofimco風(fēng)機(jī)均為非扭曲機(jī)翼型等寬度葉片，適于采用鋁合金擠壓或玻璃鋼拉擠工藝制作。所選用的翼型與Hudsen、Howdon風(fēng)機(jī)的翼型相同或相近。④為降低噪聲，Cofimco公司在上述葉片的基礎(chǔ)上，通過在后緣處鉚接等厚度彎板（俗稱襟衣），構(gòu)成寬度不等彎度不同的大實(shí)度葉片，即所謂機(jī)翼型與襟衣組合而成的非扭曲不等寬的大實(shí)度風(fēng)機(jī)葉片，見圖5。
2、國內(nèi)空冷風(fēng)機(jī)發(fā)展?fàn)顩r與葉型特點(diǎn)
2.1葉型
    20世紀(jì)70年代前我國空冷裝置使用的是VAV型鑄鋁葉片，其效率低，噪聲高。隨后研制出的F型玻璃鋼葉片性能雖有提高，但流量范圍窄，品種單一，故應(yīng)用時(shí)間不長。此后，我國石化行業(yè)在引進(jìn)大型裝備的同時(shí)，也引進(jìn)了空冷風(fēng)機(jī)，其中美國Hudsen風(fēng)機(jī)居多。哈爾濱空調(diào)機(jī)廠與蘭州石油機(jī)械研究所等單位共同對Hudson風(fēng)機(jī)進(jìn)行了調(diào)研分析，由保定航空螺旋槳廠仿制成功。在此基礎(chǔ)上哈爾濱空調(diào)機(jī)廠與保定螺旋槳廠合作，于1984年完成了我國空冷模型級的實(shí)驗(yàn)研究工作。通過對5種模型級的實(shí)驗(yàn)研究，選定高性能的模型級，探討了不同葉型的風(fēng)機(jī)性能，分析并驗(yàn)汪了實(shí)度對風(fēng)機(jī)性能的影響，為我國空冷風(fēng)機(jī)的選型提供了依據(jù)。此后，哈爾濱空調(diào)機(jī)廠于1987年成功地開發(fā)出了HK型葉片，在國內(nèi)很快得到推廣應(yīng)用，抑制了進(jìn)口并為出口創(chuàng)造了條件。
    目前，HK葉型風(fēng)機(jī)基本代表了我國空冷風(fēng)機(jī)的技術(shù)水平，其葉片的寬度和扭曲角分布是借鑒國外風(fēng)機(jī)葉片并通過氣動(dòng)設(shè)計(jì)的正、反計(jì)算后協(xié)調(diào)確定，葉片寬度呈二次曲線分布。翼型為一種先進(jìn)的低速航空翼型GA(W)-II。相對厚度為0.17，它頭部鈍，前緣半徑大，相對厚度大，上翼面較為平坦，下翼面尾部有一反彎。幾何上的特點(diǎn)對設(shè)計(jì)制作玻璃鋼葉片尤為適宜。該翼型的升阻比大，失速攻角大且失速平緩。氣動(dòng)性能上的特點(diǎn)對設(shè)計(jì)高效率、流量調(diào)節(jié)特性寬的軸流風(fēng)機(jī)是相當(dāng)有利的。
2.2氣動(dòng)設(shè)計(jì)與性能換算
  在消化吸收國內(nèi)外風(fēng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)的過程中，軸流通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和噪聲控制的關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)得到了較好地解決。
   從軸流通風(fēng)機(jī)產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)上升到系列群化設(shè)計(jì)，從軸流通風(fēng)機(jī)性能的相似換算發(fā)展為性能的實(shí)度換算，這是軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)上的一次創(chuàng)新，對設(shè)計(jì)中的工程方法已有所突破。主要包括：①軸流通風(fēng)機(jī)的實(shí)效應(yīng)法則，建立了軸流通風(fēng)機(jī)性能實(shí)換算的關(guān)系式。②軸流通風(fēng)機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)。③軸流通風(fēng)機(jī)的漸進(jìn)設(shè)計(jì)方法。
2.3噪聲預(yù)測與治理
    風(fēng)機(jī)作為重要的噪聲污染源受到人們的普遍關(guān)注。空冷風(fēng)機(jī)的噪聲主要包括氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲，其中氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源。
    在空冷風(fēng)機(jī)的研制中，軸流風(fēng)機(jī)的噪聲與葉尖速度、靜壓、流量、功率、直徑、葉片寬度和葉片數(shù)等氣動(dòng)參數(shù)及幾何參數(shù)有關(guān)。其中最重要的是葉尖速度和風(fēng)壓，風(fēng)機(jī)噪聲JL乎與葉尖速度的6次方成正比。文獻(xiàn)給出了標(biāo)準(zhǔn)空氣條件下氣動(dòng)噪聲預(yù)測的關(guān)聯(lián)式。通過對關(guān)聯(lián)式的分析可知：①葉尖速度對噪聲影響很大，當(dāng)葉尖的速度由61 m/s下降到41m/s時(shí)，平均聲壓級可下降10db。②在風(fēng)機(jī)實(shí)度相同的條件下，采用葉片數(shù)少的寬葉片對降低噪聲更有利。當(dāng)靜壓和葉片長度保持不變時(shí)，若葉片寬度一定，葉片數(shù)增加2倍，平均聲壓級則增大3 db，反之若葉片數(shù)一定，平均葉片寬度增大2倍，平均聲壓級則增大1.5db。因此，文獻(xiàn)進(jìn)一步提出降低轉(zhuǎn)速、增大實(shí)度和調(diào)整葉片安裝角的降低噪聲的方法，并取得了滿意的效果。
3、結(jié)語
    隨著空冷風(fēng)機(jī)特別是電站直接空冷風(fēng)機(jī)的大型化，作為風(fēng)機(jī)最重要的零件葉輪，其輪轂結(jié)構(gòu)（單板或雙板）及其與葉片的連接方式(U型螺栓或墊塊與長螺栓)變化不大，而主要是在葉片結(jié)構(gòu)和形狀上進(jìn)行更新和改變，總的趨勢是：①葉片從二次曲線型向梯形或矩形平面形狀簡化，從扭曲向非扭曲演變。非扭曲的矩形葉片適用于擠壓鋁合金葉片或拉擠玻璃鋼葉片的制作，有利于機(jī)械化大批量生產(chǎn)及提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。由于空冷風(fēng)機(jī)的壓力很小，靜壓大都小于250Pa，通常在150Pa左右，設(shè)計(jì)制造非扭曲矩形葉片是可行的。②葉片大都選用頭部鈍、厚度大和尾部反彎的低速翼型。這種翼型不僅升阻比高且失速平緩，有利于提高效率和擴(kuò)大最佳工作范圍，對于提高中空葉片的總體剛度更為有利。③為滿足降低噪聲的技術(shù)要求，前掠葉片和機(jī)翼型與彎板襟衣相組合的葉片相比，前者工藝復(fù)雜，成本高，但降低噪聲的效果更好。
    國外空冷風(fēng)機(jī)已實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代，通過對國外風(fēng)機(jī)進(jìn)展情況的分析可以看到，其更新?lián)Q代遵循著性能與工藝兼顧、新葉型與老葉型兼容的原則。即不僅要考慮到滿足氣動(dòng)性能和噪聲特性的不同層次的使用需求，而且要兼顧葉片的制作工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低成本。為保持自身產(chǎn)品的風(fēng)格，一般將繼承和創(chuàng)新相結(jié)合，在原有葉片基礎(chǔ)上，通過輪轂比、葉片寬度、扭曲角度和葉片數(shù)的變化，達(dá)到改進(jìn)風(fēng)機(jī)性能的目的，這種方法可極大地減少研發(fā)費(fèi)用。
    與國外相比，國內(nèi)空冷風(fēng)機(jī)更新?lián)Q代的速度緩慢，產(chǎn)品的多樣性、個(gè)性化及葉片的制造工藝等方面尚存在較大差距。為適應(yīng)國內(nèi)火電廠的建設(shè)需求，推進(jìn)空冷技術(shù)的進(jìn)步，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐，研發(fā)新葉型的空冷風(fēng)機(jī)勢在必行，對此作者建議：①新葉型風(fēng)機(jī)的研發(fā)要從系列化向系列群化轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進(jìn)設(shè)計(jì)法，這是當(dāng)今軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，應(yīng)引起高度重視。②全面規(guī)劃空冷風(fēng)機(jī)的型譜，確定實(shí)施產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)的方案，等輪轂比時(shí)，可通過改變?nèi)~片寬度（3—4種）和葉片數(shù)（4 - 10片）實(shí)現(xiàn)系列群產(chǎn)品；變輪轂比時(shí)，可利用等輪轂比的已有葉片和輪轂，運(yùn)用組合設(shè)計(jì)的原理，組合出不同輪轂比的新系列群產(chǎn)品。③設(shè)計(jì)制造模型機(jī)或樣機(jī)，開展試驗(yàn)研究。④完成上述工作后，開展前掠葉片等特殊葉型的研發(fā)。