船用離心風(fēng)機(jī)葉片開槽對(duì)氣流流動(dòng)特性的影響

董興杰，楚武利，卜遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

船用離心風(fēng)機(jī)葉片開槽對(duì)氣流流動(dòng)特性的影響

董興杰，楚武利，卜遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

提出船用離心風(fēng)機(jī)葉片開槽處理技術(shù)，以改善葉輪通道氣體流場。利用商用CFD軟件，分別對(duì)某型離心風(fēng)機(jī)原始葉輪和開槽葉片葉輪進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并詳細(xì)對(duì)比分析了2種葉輪模擬結(jié)果。結(jié)果表明：開槽處理可抑制射流－尾跡現(xiàn)象進(jìn)而減小由此引起的葉片尾緣漩渦，并減弱通道內(nèi)漩渦，從而提高通道內(nèi)流場穩(wěn)定性，增加通道流通面積，并且在一定范圍內(nèi)提高葉輪性能。

離心風(fēng)機(jī);葉片開槽;流場;數(shù)值模擬

0 引言

作為船用輔機(jī)，通風(fēng)機(jī)是船舶空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，也是船舶輔助保障系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。船用通風(fēng)機(jī)主要用于船上的通風(fēng)換氣，解決船員的生活和工作的通風(fēng)需要。目前國內(nèi)正在使用的船用通風(fēng)機(jī)系列大部分還是20世紀(jì)60年代研制的產(chǎn)品。風(fēng)機(jī)流量和壓力雖然能滿足使用要求，但效率低，參數(shù)范圍窄，噪聲和振動(dòng)值較高［1］。產(chǎn)生這一問題的主要原因是風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)的非定常性。在葉片吸力面尾緣附近存在著較嚴(yán)重的氣流分離現(xiàn)象，形成低能流積聚的尾流區(qū)。同時(shí)，在壓力面流體的相對(duì)速度比較高，形成了射流區(qū)，與吸力面尾緣處發(fā)生嚴(yán)重分離的尾跡區(qū)及由于射流區(qū)、尾跡區(qū)之間劇烈變化形成的薄過渡剪切層，構(gòu)成了射流－尾跡流動(dòng)結(jié)構(gòu)，射流－尾跡結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生和發(fā)展的過程中伴隨著強(qiáng)烈的能量損失［2－3］。射流－尾跡現(xiàn)象的存在使流道有效通流面積減少，進(jìn)而會(huì)影響葉片通道內(nèi)部的流動(dòng)，增強(qiáng)吸力面邊界層分離，在吸力面形成嚴(yán)重的漩渦［1，4］。

從振動(dòng)的角度看，葉片通道分離區(qū)較大，則葉輪出口速度及壓力脈動(dòng)較大，激振能量隨之增大，這就是蝸殼產(chǎn)生振動(dòng)的激振源［3，5］。因此如果能采取措施控制和減弱葉片吸力面尾緣的氣流分離現(xiàn)象，改善葉片通道的氣流流動(dòng)特性，將可提高風(fēng)機(jī)的性能，降低風(fēng)機(jī)噪聲。

葉片開槽技術(shù)在軸流壓氣機(jī)中已得到深入的研究。從葉片壓力面到吸力面開槽，利用壓力面與吸力面壓差，將壓力面的氣流經(jīng)過槽道的加速，從吸力面吹出，從而控制和延緩葉片吸力面漩渦及射流－尾跡結(jié)構(gòu)，以改善葉輪內(nèi)部流動(dòng)，此方法已被證明可以取得很好的效果［6－9］。然而，葉片開槽技術(shù)在離心壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)中的研究還不多。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉片開槽處理技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究，以試圖揭示其工作機(jī)理。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型選取

本文以某船用閉式后彎徑向板型離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象(見圖1)。其葉輪主要幾何參數(shù)為：葉輪葉片進(jìn)口直徑D1=318.72 mm，出口直徑D2=480 mm，葉片進(jìn)口高度b1=144 mm，出口高度b2=96 mm，厚度δ=3 mm，葉片個(gè)數(shù)Z=12。

文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［5］對(duì)本文所選用原始葉輪進(jìn)行了整機(jī)實(shí)驗(yàn)及商業(yè)CFD軟件NUMECA數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬吻合度高，證明所選數(shù)值模擬方法可行。由于本文主要研究開槽對(duì)葉輪內(nèi)部流場的影響，且進(jìn)行整機(jī)模擬所需人力物力比較大，故本文只進(jìn)行單通道葉輪數(shù)值模擬。

圖1 葉輪幾何參數(shù)Fig.1 Geometric parameters of impeller

1.2 槽道確定

本文首先進(jìn)行了原始葉輪單通道數(shù)值模擬，經(jīng)過對(duì)葉輪數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析后確定槽道位置及形狀，然后進(jìn)行開槽葉片葉輪單通道數(shù)值模擬。

原始葉輪葉片尾緣有明顯的射流－尾跡現(xiàn)象，尾緣存在嚴(yán)重漩渦。葉片吸力面存在邊界層分離，吸力面距葉片尾緣17%弦長處開始出現(xiàn)嚴(yán)重漩渦。葉片吸力面距葉輪后蓋板50%葉高處開始出現(xiàn)明顯的漩渦，并向著前蓋板方向逐漸加深。因此本文設(shè)計(jì)了如圖2和圖3所示的槽道。圖2所示的開槽位置從距后蓋板50%～90%葉高。圖3所示的槽道進(jìn)氣方向?yàn)樗椒较?，出氣方向與水平線夾角為20°，槽道距葉片后緣距離為17%弦長，槽道寬度為1.0 mm。

1.3 網(wǎng)格生成

首先在DES公司的三維造型軟件UG中畫出風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，然后將葉輪型線導(dǎo)入NUMECA軟件IGG/AutoGrid中，采用IGG/AutoGrid中O－4H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成原始葉輪網(wǎng)格。原始葉輪單通道網(wǎng)格總數(shù)為360 354。開槽葉片葉輪網(wǎng)格需要首先在UG原始葉輪結(jié)構(gòu)中加入槽道線型，然后將槽道線型導(dǎo)入IGG中，在IGG中加入槽道模塊。在加入槽道過程中槽道進(jìn)出口分別與葉片表面聯(lián)結(jié)，并采用完全非匹配邊界條件。開槽葉片葉輪單通道網(wǎng)格總數(shù)為392 127，其中槽道網(wǎng)格數(shù)位31 773。

1.4 計(jì)算邊界與初始條件選取

控制方程為雷諾平均三維N－S方程，湍流模型選用Spalart-Allmaras模型，空間項(xiàng)采用中心差分格式的有限體積法進(jìn)行空間離散，時(shí)間項(xiàng)采用四階Runge-Kutta法迭代求解。同時(shí)采用局部時(shí)間步長、隱式殘差光順和完全多重網(wǎng)格技術(shù)加快計(jì)算速度。

計(jì)算額定轉(zhuǎn)速為2 920 r/min，假設(shè)軸向進(jìn)氣，進(jìn)口給定總壓101 325，總溫293 K，出口給定平均靜壓，葉輪進(jìn)出口延伸區(qū)給定周期條件，絕熱固體壁面給定無滑移條件。

2 結(jié)果分析

2.1 總體性能分析

圖4所示為開槽葉片葉輪與原始葉輪流量－效率曲線。從圖中可以看出，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量(3.3 kg/s)附近，開槽葉片葉輪的效率存在1個(gè)峰值，而原始葉片葉輪效率峰值在3.8 kg/s流量附近。在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量附近開槽葉片葉輪效率較原始葉片葉輪顯著提高，其他流量狀態(tài)下開槽葉片葉輪效率略有下降。

圖5所示為開槽葉片葉輪與原始葉片葉輪流量－壓比曲線。從圖中可知，在小流量狀態(tài)下開槽葉片葉輪壓比較原始葉片基本不變甚至略有下降，在設(shè)計(jì)流量附近壓比明顯上升，而在大流量狀態(tài)下壓比略有下降。

由以上可以看出，開槽葉片葉輪較原始葉輪在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)附近性能有明顯提高，而其他流量狀態(tài)下性能改變不明顯甚至出現(xiàn)下降。下面將通過分析葉片通道內(nèi)流場來探究產(chǎn)生這種狀況的原因。

2.2 流場分析

圖6和圖7所示分別為設(shè)計(jì)流量(3.3 kg/s)狀態(tài)原始葉輪和開槽葉片葉輪75%葉高處相對(duì)速度矢量及流線圖。從圖6可以看出原始葉輪通道內(nèi)流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。在葉片吸力面?zhèn)却嬖谶吔鐚臃蛛x現(xiàn)象。葉片尾緣存在很強(qiáng)的射流－尾跡現(xiàn)象，葉片尾緣漩渦幾乎占據(jù)半個(gè)葉輪通道，尾緣漩渦形成的回流又影響葉片通道內(nèi)流動(dòng)，并在葉片通道內(nèi)再次形成漩渦，這兩處漩渦在很大程度上減小了葉輪通道有效流通面積;如圖7所示，葉片開槽后尾緣的射流－尾跡現(xiàn)象引起的葉片尾緣漩渦基本消除，通道內(nèi)的漩渦也隨之減弱，葉輪通道有效流通面積大大增加。

圖8和圖9所示分別為小流量(2.52 kg/s)狀態(tài)原始葉片葉輪和開槽葉片葉輪75%葉高相對(duì)速度矢量及流線圖。在小流量狀態(tài)下因?yàn)槌霈F(xiàn)正沖角，會(huì)在葉片吸力面前緣部分產(chǎn)生很大局部擴(kuò)壓度，于是出現(xiàn)分離現(xiàn)象，并形成漩渦，并向葉輪出口處逐漸擴(kuò)大［1］。本文開槽位置的選取主要是為了較弱射流－尾跡現(xiàn)象引起的漩渦，對(duì)于因?yàn)檎龥_角引起的漩渦沒有考慮，所以如圖9所示在小流量狀態(tài)下，葉片開槽處理對(duì)于葉輪通道內(nèi)部流場影響較小，只是減弱了葉片尾緣處的漩渦。

圖10和圖11所示為大流量(4.02 kg/s)狀態(tài)原始葉片葉輪和開槽葉片葉輪在75%葉高處的相對(duì)速度矢量及流線圖。在大流量情況下，葉片工作面前緣部分形成較大的擴(kuò)壓度，分離區(qū)在工作面上產(chǎn)生，但由于氣流慣性力的作用，限制了分離的擴(kuò)大，這時(shí)在吸力面出口可能會(huì)出現(xiàn)一部分小的分離區(qū)［1］。如圖10所示大流量狀態(tài)通道內(nèi)整體流動(dòng)性較好，只是在葉片吸力面尾緣附近存在小的分離漩渦，因而葉片開槽(見圖11)對(duì)流場影響不大，只是將分離渦略微向葉片尾緣推移。

通過以上3種流量狀態(tài)的比較可以看出：在設(shè)計(jì)流量狀態(tài)附近，開槽葉片葉輪因?yàn)閴毫γ嫦蛭γ嬉龤猓刹鄣来党龅母咚贇饬饕欢ǔ潭壬弦种屏巳~片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象，并減弱了葉片尾緣漩渦及通道內(nèi)漩渦，很好地改善葉輪通道內(nèi)的流場，使得通道內(nèi)的流動(dòng)損失減小，從而提高了葉輪整體性能。在小流量及大流量狀態(tài)下，葉片開槽無法明顯改善葉片通道內(nèi)流場，反而因?yàn)椴鄣赖拇嬖诟淖兞巳~片的氣動(dòng)性能，降低葉片做功能力，同時(shí)槽道內(nèi)的氣流轉(zhuǎn)折也將產(chǎn)生損失，從而使得葉輪總體性能降低。

以上分析了葉片通道內(nèi)氣體流動(dòng)狀況，下面將從葉片近壁面氣流流動(dòng)狀況來分析開槽處理對(duì)葉片表面氣流流動(dòng)的影響。

圖12和圖13所示為原始葉輪與開槽葉片輪設(shè)計(jì)流量下葉片近壁面相對(duì)速度矢量及流線圖。從圖12可以看出原始葉片吸力面表面靠近前盤附近存在嚴(yán)重的附面層分離，并形成較大的漩渦。由于葉片尾緣較強(qiáng)漩渦的影響使吸力面?zhèn)鹊幕亓鳜F(xiàn)象明顯，且有明顯的分離線。開槽后的葉片(圖13)，由于壓力面向吸力面的吹氣，使得葉片吸力面的回流現(xiàn)象明顯減弱，分離線向葉片尾緣移動(dòng)，回流影響面積明顯減小。同時(shí)也在一定程度上消弱了前盤附近的附面層分離，從而使得前盤附近的分離渦減弱，并向出口處移動(dòng)。開槽葉片葉輪的內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)。

3 結(jié)語

基于以上分析，可以得出如下結(jié)論：

1)開槽葉片對(duì)葉片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象有一定抑制，可基本消除葉片尾緣漩渦，明顯增大通道流通面積，減小氣流速度脈動(dòng)，減小離心風(fēng)機(jī)蝸殼振動(dòng)激振源，同時(shí)也可控制尾緣漩渦引起的通道內(nèi)漩渦，使得通道內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)。

2)葉片開槽處理可在一定范圍內(nèi)增加離心風(fēng)機(jī)葉輪性能。本文開槽初衷意在控制葉片尾緣射流－尾跡現(xiàn)象，從而控制尾緣漩渦、通道內(nèi)漩渦，因而本文所選開槽位置對(duì)邊界層分離控制效果不明顯，這有待于改變開槽位置、形狀，從而達(dá)到更好的流動(dòng)控制效果。

綜上所述，葉片開槽技術(shù)在離心風(fēng)機(jī)中有很大的應(yīng)用前景，本文只是對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了初步探究，對(duì)開槽位置、寬度、形狀、個(gè)數(shù)還需要大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

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Influence of blade slot on flow performance in the centrifugal fan used on boards

DONG Xing-jie，CHU Wu-li，BU Yuan-yuan
(Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The slot treatment to blade of centrifugal fan used on boards was proposed for improving the flow field in the impeller channel．Three-dimensional numerical simulations were performed on the prototype and the slot treatment impeller with commercial CFD software．The simulation results were in-depth contrasted and analysed．The study presented that，the slot treatment can control the jet-wake phenomenon and eliminate the trailing vortex which results from the jet-wake one step further，and weaken the vortex in the impeller channel．As the result the steadiness of the flow field was improved，the flow area was enlarged and the performance was iomproved on part of operation line．

centrifugal fan;blade slot;flow field;numerical simulations

U664.5+1

A

1672－7649(2012)07－0020－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.004

2012－03－08;

2012－03－28

董興杰(1987－)，男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槿~輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)。