等-變環(huán)量設(shè)計葉片軸流風機性能研究

（中國礦業(yè)大學，江蘇徐州 221116）

0 引言

隨著軸流風機在紡織、空調(diào)、礦山通風等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，人們對于軸流風機本身性能與噪聲愈加關(guān)注。針對軸流風機翼型以及葉片氣動外形改造成為改善軸流風機性能的一大研究課題，目前主要的研究方法包括仿生葉片及葉片彎掠等。

陳坤等[1]借鑒了雕鸮羽毛的消音機理，設(shè)計了耦合仿生軸流風機，并通過試驗優(yōu)化的方法，得到了具有較低氣動噪聲的耦合仿生軸流風機。王仲奇等[2]提出彎和扭結(jié)合概念，通過研究彎扭葉片與氣流相互作用力、邊界層徑向遷移規(guī)律及橫向二次流動規(guī)律解釋了彎扭葉片降低能量損失的機理。文獻[3-5]對不同“彎”“掠”結(jié)構(gòu)葉片通過測量表面靜壓與氣動性能參數(shù)分析內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)葉頂弦線彎掠可以改變吸力面邊界層遷移規(guī)律并抑制角區(qū)低動能流體的堆積，同時可以降低葉頂損失。文獻[6-8]采用數(shù)值模擬的方法對不同“彎”“掠”結(jié)構(gòu)葉片進行研究，發(fā)現(xiàn)“掠”結(jié)構(gòu)葉片可以有效控制二次流損失并且其效率、壓比和穩(wěn)定運行范圍都有明顯提高。

上述研究表明，研究前掠結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低速軸流風機的流動特性具有一定的工程意義，然而對于低壓軸流風機前掠葉片的優(yōu)化研究較少。因此本文提出一種基于傳統(tǒng)設(shè)計方法的等-變環(huán)量設(shè)計方法，并對其進行試驗與數(shù)值模擬分析，為低壓軸流前掠風機的葉片設(shè)計提供依據(jù)。

1 等-變環(huán)量設(shè)計氣流參數(shù)及外特性分析

1.1 等-變環(huán)量設(shè)計思路

軸流風機的設(shè)計方法有很多，按照氣流參數(shù)沿葉片高度方向的變化規(guī)律不同，軸流風機的設(shè)計方法可以分為等環(huán)量設(shè)計與變環(huán)量設(shè)計。等環(huán)量設(shè)計忽略占次要地位的徑向流動，將氣流繞葉片的流動簡化為繞諸多截面不摻混的流動；變環(huán)量設(shè)計氣流參數(shù)沿葉片高度分布不再滿足“cur=Const”的假設(shè)，通過設(shè)置變換量指數(shù)來考慮葉片氣動參數(shù)沿葉高的變化。

等環(huán)量設(shè)計過程中須考慮葉片根部負荷因子，這是由于等環(huán)量設(shè)計的葉片根部為其主要做功區(qū)間，其他截面負荷因子必定小于其根部，因此只要根部負荷因子達到要求即可。傳統(tǒng)認為當葉片根部負荷較大時，若要進一步提高級的全壓系數(shù)需要采用變環(huán)量設(shè)計。在前掠葉片設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)在根部負荷因子滿足條件的前提下若將等環(huán)量設(shè)計與變環(huán)量設(shè)計相結(jié)合可以進一步改變?nèi)~片的氣動外形，將葉片60%葉高以下的非前掠部分采用等環(huán)量設(shè)計方法，60%葉高以上的前掠部分采用變環(huán)量設(shè)計方法。采用等-變環(huán)量設(shè)計方法增大了葉片各截面的弦長，優(yōu)化了葉片氣動外形，略微優(yōu)化葉片負荷，增加了葉片的做功能力。

1.2 建模及數(shù)值計算方法

按照設(shè)計思路進行數(shù)據(jù)計算后繪制計算模型，葉片設(shè)計參考翼型為LS翼型，利用SCDM軟件進行建模，并截取其中3個不同葉高的截面如圖1所示，具體參數(shù)見表1。

圖1 前掠葉片型線

表1 葉片型線參數(shù)

本文采用ANSYS CFX進行數(shù)值模擬，計算采用單流道模型，物理模型劃分為3個區(qū)域，進風筒、風機轉(zhuǎn)子、出風筒。其中，進風筒與出風筒采用ICEM劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子部分采用Auto-Grid劃分網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)量達到要求，轉(zhuǎn)子流道網(wǎng)格如圖2所示。計算的邊界條件與收斂標準見表2。

圖2 葉片流道網(wǎng)格

表2 邊界條件與計算收斂標準

為了消除網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值結(jié)果的影響，選擇了4組不同的單流道轉(zhuǎn)子網(wǎng)格進行計算。在網(wǎng)格無關(guān)性驗證中，采用了SST k-ω湍流模型進行計算，繪制了不同條件下的曲線。如圖3所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，風機全壓計算值逐漸增加。當葉片部分網(wǎng)格數(shù)達到24萬時，上升趨勢不再明顯，這表明網(wǎng)格數(shù)量不再對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，最終的網(wǎng)格數(shù)量是240 000。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.3 外特性試驗及數(shù)值模擬對比分析

試驗風機為單級低轉(zhuǎn)速軸流通風機，廣泛運用于紡織行業(yè)室內(nèi)通風，試驗測試方法參考GB/T 10178—2006，其參數(shù)見表3。試驗裝置如圖4所示，主要用于測試軸流風機的性能，壓力傳感器安裝于集流器出口與風機進口之間；傳感器用于收集壓力信號與電機參數(shù)。此風機的輪轂比為0.4，轉(zhuǎn)速980～990 r/min，風筒外徑為1 600 mm，進風筒長度為4 000 mm，測量長度為4 815 mm。

表3 試驗臺參數(shù)

圖4 試驗裝置

不同的湍流模型會計算出不同的結(jié)果，因此對湍流模型的準確性進行驗證。如圖5所示，SST k-ω模型的全壓計算值在所有工況下都與試驗值更加接近，相對于Standard k-ε模型與RNG k-ε模型表現(xiàn)出了更高的精度；在0.4-0.65 Qv工況時，SST k-ω湍流模型的相對誤差變大，這是由于該工況下的流體流動伴隨著大量的流動分離，在葉片附近出現(xiàn)了大量的脫落渦。在0.65-1 Qv工況下，由于葉頂間隙網(wǎng)格的存在，3種湍流模型的扭矩計算值與試驗值存在偏差導(dǎo)致效率計算值出現(xiàn)微小誤差。此外，SST k-ω模型在0.4-0.65 Qv工況時與試驗值接近，這是由于SST k-ω模型使用了混合函數(shù)解決從壁面附近的Standard k-ε模型逐漸到邊界層外部的高雷諾數(shù)k-ε模型的過渡問題。此外，SST k-ω包含修正的湍流粘性公式用來解決湍流剪切應(yīng)力引起的輸運效果，可以得到分離流的高精度解；因此，即使存在葉頂間隙網(wǎng)格的影響，SST k-ω模型也得出了接近于試驗值的計算解。綜上，本文計算湍流模型選用SST k-ω模型。

圖5 數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 氣動性能分析

圖6，7分別示出了等-變環(huán)量設(shè)計、變環(huán)量設(shè)計、等環(huán)量設(shè)計的3種前掠葉片與3種傳統(tǒng)扭葉片在設(shè)計安裝角工況的Qv-Ptotal曲線與效率曲線對比。從圖6（a）中可以看出，采用等-變環(huán)量設(shè)計方法的前掠葉片在各流量工況下全壓均高于全等環(huán)量設(shè)計葉片，但在0.5Qv工況后等-變環(huán)量葉片全壓下降較快，這同等環(huán)量設(shè)計葉片全壓變化的整體趨勢相同；這是由于小輪轂比低速軸流風機做功部位主要為葉片的中下部分，葉頂區(qū)域做功能力較弱，等-變環(huán)量葉片非前掠部分采用等環(huán)量設(shè)計，因此Qv-Ptotal其曲線變化趨勢與等環(huán)量設(shè)計葉片相似。

圖6 3種設(shè)計方法的前掠葉片和傳統(tǒng)扭葉片Qv-Ptotal曲線

圖7 3種設(shè)計方法的前掠葉片和傳統(tǒng)扭葉片效率曲線

前掠葉片相較于傳統(tǒng)扭葉片，通過改變?nèi)~頂部位的型線優(yōu)化了葉頂部分的做功能力，因此得到更加廣泛的穩(wěn)定工作區(qū)域。等-變環(huán)量前掠葉片通過在葉頂前掠部分采用變環(huán)量設(shè)計的方式進一步優(yōu)化其做功能力，改善葉頂部位流場，從而得到比等環(huán)量葉片與變環(huán)量葉片更高的全壓。變環(huán)量設(shè)計葉片在0.45 Qv工況全壓高于等-變環(huán)量葉片，這是由于變環(huán)量葉片設(shè)計過程中考慮了占次要地位的徑向流動，通過選取合適的變環(huán)量指數(shù)控制離心力對流動的影響，從而減少了輪轂處的脫流與低壓區(qū)的形成，優(yōu)化了小流量工況下葉輪內(nèi)的流動情況。從圖7（a）可以看出等-變環(huán)量前掠葉片的效率與其他兩種葉片基本相同，即等-變環(huán)量前掠葉片在效率不變的前提下大幅提升了風機全壓。

從圖6（b）與圖7（b）中可以看出，等-變環(huán)量傳統(tǒng)扭葉片在區(qū)域0.75 Qv～1 Qv工況下效率基本與另外2種傳統(tǒng)扭葉片相同且具有較大的全壓，但提升相對于前掠葉片較小?？偟膩砜?，等-變環(huán)量傳統(tǒng)扭葉片相較于另外兩種傳統(tǒng)扭葉片性能有所提高，但3種傳統(tǒng)扭葉片在小于0.75Qv工況時，全壓與效率迅速下降，流動狀態(tài)迅速惡化，其穩(wěn)定工作范圍小于前掠葉片，這與Benini等[6]的研究結(jié)果一致。

綜上，等-變環(huán)量的設(shè)計方法應(yīng)用于前掠葉片更加具有優(yōu)勢，因此下文將針對前掠葉片工況展開內(nèi)流特征分析，進一步闡明其氣動性能變化的內(nèi)在機理。

2.2 前掠葉片出口軸向速度分析

軸向速度沿葉高的分布可以反映葉輪的流通能力，圖8示出了3種設(shè)計方法所得前掠葉片的出口軸向速度vw沿葉高span分布，定義相對葉高R=（r-rh）/rs，其中 r為徑向葉高，rh和 rs分別為輪轂半徑和葉輪半徑。從圖8中可以看出，等-變環(huán)量葉片的軸向速度分布較為均勻自葉根至葉頂?shù)妮S向速度值普遍在30 m/s。而由于變環(huán)量設(shè)計考慮變環(huán)量指數(shù)對其的影響，因此其葉輪出口處軸向速度沿徑向葉高呈現(xiàn)非均勻分布[9]。與變環(huán)量葉片相比，等-變環(huán)量葉片R=0.6以下采用等環(huán)量設(shè)計，優(yōu)化了其R=0.7以下的流動情況，軸向速度的大幅提升使其流通能力進一步增強。等環(huán)量葉片的輪轂斷面處安裝角與弦線長度較大且葉型扭曲程度大，對氣流做功能力強，因此其葉根處氣流軸向速度較大。與等環(huán)量葉片相比，等-變環(huán)量葉片明顯優(yōu)化了其R=0.6以上的軸向速度分布。

圖8 1Qv前掠動葉出口軸向速度葉高分布

這是因為前掠的設(shè)計使葉片的頂部首先接觸流體，這部分流體更少地受到由于離心力造成的下部流體對其的擠壓從而順利通過流通區(qū)域。頂部采用變環(huán)量設(shè)計后，進一步弱化了離心力對葉頂處空氣的影響，其做功能力進一步增強，因此葉頂部位的流體可以獲得更高的軸向速度。

從圖9可以看出在R=0.2處，等-變環(huán)量葉片軸向速度分布與等環(huán)量葉片軸向速度相似且高速區(qū)域明顯大于變環(huán)量葉片，這說明變環(huán)量葉片在葉輪內(nèi)相對葉高較低處的流通能力較弱。對比圖9（a）與9（c）可以發(fā)現(xiàn)等-變環(huán)量葉片在接近葉片吸力面處存在更多的高速區(qū)域，通過計算得到兩者平均軸向速度分別為29.798 98 與29.234 7 m/s，這說明等-變環(huán)量葉片葉根對流體的做功能力更強，因此等-變環(huán)量葉片葉根出口處的軸向速度更大。在R=0.8處，等環(huán)量葉片高速區(qū)域明顯低于其他葉片，對比圖9（d）與9（e）可以發(fā)現(xiàn)等-變環(huán)量葉片壓力面高速區(qū)面積明顯大于變環(huán)量葉片，吸力面附近高速區(qū)域基本出現(xiàn)在同一弦長處但等-變環(huán)量葉片高速區(qū)面積更大，兩者平均軸向速度分別為29.736 4與29.104 6 m/s。上述結(jié)果表明，采用等-變環(huán)量設(shè)計的葉片改善了變環(huán)量葉片葉根處的做功能力與等環(huán)量葉片葉頂處的流動狀態(tài)，葉根處軸向速度的提升使得其可以通過更大體積流量的流體，葉頂處高速區(qū)面積的增加說明其對流體有更好的約束作用，進一步提升了其做功能力。

圖9 各葉片在R=0.2與R=0.8時軸向速度云圖

2.3 葉片不同葉高處靜壓系數(shù)分布

圖10 各葉片在R=0.05，0.5，0.8，0.95時靜壓系數(shù)分布

3 結(jié)論

（1）等-變環(huán)量設(shè)計可以應(yīng)用于前掠葉片與傳統(tǒng)扭葉片，等-變環(huán)量葉片的效率與其他兩種葉片基本相同，全壓可提升20～50 Pa；等-變環(huán)量設(shè)計應(yīng)用于前掠葉片有更大的提升，且等-變環(huán)量設(shè)計出的前掠葉片具有更廣泛的穩(wěn)定運行區(qū)。

（2）等-變環(huán)量前掠葉片自葉根至葉頂具有更加平穩(wěn)的軸向速度，且軸向速度較大，葉輪具有更強的流通能力。等-變環(huán)量葉片葉根與葉頂處軸向速度比其他兩種葉片高出約0.6 m/s。

（3）等-變環(huán)量設(shè)計可有效增大葉片各截面的弦長，結(jié)合等環(huán)量設(shè)計葉片在根部的做功優(yōu)勢與變環(huán)量設(shè)計葉片在頂部的做功優(yōu)勢，有效提升葉片的做功能力。

（4）等-變環(huán)量葉片葉根處表面負荷略大于其他兩種葉片，且在葉頂處可以更快地使氣流實現(xiàn)平穩(wěn)流動。