軸向間距對(duì)兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)失速先兆的影響機(jī)制

張 磊， 袁 威， 王松嶺， 張 倩

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

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軸向間距對(duì)兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)失速先兆的影響機(jī)制

張 磊， 袁 威， 王松嶺， 張 倩

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

基于節(jié)流閥函數(shù)以及SSTk-ω湍流模型，對(duì)某電站兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)的非定常失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了3種軸向間距對(duì)風(fēng)機(jī)失速先兆起始位置、表現(xiàn)形式以及失速三維非定常演化過程的影響機(jī)制.結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍隨著軸向間距的縮短得到拓寬；不同軸向間距下，第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)首先出現(xiàn)失速先兆，且失速先兆表現(xiàn)形式相同，均為突尖型；軸向間距增大時(shí)，失速先兆從第二級(jí)動(dòng)葉傳播至第一級(jí)動(dòng)葉所用時(shí)間增加；軸向間距對(duì)葉頂間隙分離渦的產(chǎn)生具有重要影響，軸向間距較小時(shí)，分離渦主要由相鄰流道的泄漏流繞過尾緣附近反向流入流道并與主流相互作用形成，軸向間距較大時(shí)分離渦的形成主要與葉頂間隙的泄漏流有關(guān).

軸流風(fēng)機(jī)； 分離渦； 軸向間距； 失速先兆

軸流風(fēng)機(jī)作為電站常用的軸流增壓式葉輪機(jī)械，其內(nèi)部流動(dòng)為黏性、非定常的三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離、旋轉(zhuǎn)失速、喘振、葉片顫振等失穩(wěn)現(xiàn)象，其中旋轉(zhuǎn)失速和喘振限制機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍，影響運(yùn)行可靠性.失速現(xiàn)象是機(jī)器在設(shè)計(jì)與調(diào)試中實(shí)現(xiàn)各級(jí)匹配的主要障礙，并經(jīng)常在過渡態(tài)或非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行中導(dǎo)致災(zāi)難性事故.一旦旋轉(zhuǎn)失速出現(xiàn)，葉片承受長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片壽命降低.失速先兆的研究是探索旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理的重要組成部分[1-2]，因此研究葉輪機(jī)械失速先兆的誘發(fā)機(jī)理對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值.

失速先兆的規(guī)律性認(rèn)識(shí)是實(shí)現(xiàn)失速主動(dòng)控制的第一步，控制的有效性與失速先兆的認(rèn)識(shí)程度密切相關(guān)[3-4].20世紀(jì)80年代Moore等[5-6]發(fā)展了壓縮系統(tǒng)失穩(wěn)的線性和非線性模型，得到壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性與沿周向傳播的失速先兆發(fā)展的相關(guān)性.Day[7]首先在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)尖脈沖失速先兆現(xiàn)象，并對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)葉頂間隙較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)尖脈沖失速先兆.劉震雄等[8]以經(jīng)典Moore-Greitzer模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了含緊連閥的Moore-Greitzer三階數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用反推法構(gòu)造旋轉(zhuǎn)失速控制系統(tǒng)，通過仿真證明該系統(tǒng)對(duì)失速控制的有效性.張磊等[9]利用Ansys軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)失速工況下的風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行流固耦合研究.

軸向間距對(duì)旋轉(zhuǎn)式機(jī)械的流場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大，很多學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了研究.Inoue等[10]研究了壓氣機(jī)3種軸向間距下小尺度擾動(dòng)和大尺度擾動(dòng)誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)失速的動(dòng)態(tài)過程，結(jié)果表明擾動(dòng)波的演變過程與動(dòng)靜葉間距有很大的關(guān)系.Kikuchi等[11]利用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法，發(fā)現(xiàn)靜葉附近的尾流擾動(dòng)和壁面附近的二次流隨軸向間距的增大而擴(kuò)展.隨后Funazaki等[12]得到靜葉附近的尾流擾動(dòng)和靜葉流道內(nèi)二次流是影響級(jí)內(nèi)流場(chǎng)特性的關(guān)鍵因素，軸向間距與級(jí)內(nèi)氣動(dòng)性密切相關(guān).Gaetani等[13]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透平機(jī)械內(nèi)分離渦發(fā)生強(qiáng)度與軸向間距有關(guān)，軸向間距影響級(jí)內(nèi)尾流擾動(dòng)和主流的混合強(qiáng)度.李傳鵬等[14]發(fā)現(xiàn)軸向間距對(duì)壓氣機(jī)失速點(diǎn)的流量系數(shù)影響很大，轉(zhuǎn)靜子軸向間距減小，壓氣機(jī)失速推遲，并且壓氣機(jī)剛進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速的模態(tài)與軸向間距有關(guān)，軸向間距較大時(shí)，壓氣機(jī)首先進(jìn)入多團(tuán)全葉高旋轉(zhuǎn)失速.周莉等[15]針對(duì)不同軸向間距下渦輪級(jí)內(nèi)非定常流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明軸向間距對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)流動(dòng)的非定常性有很大影響.

目前，針對(duì)軸向間距對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的影響主要集中在壓氣機(jī)方面，而研究軸向間距對(duì)軸流風(fēng)機(jī)失速誘發(fā)機(jī)制的影響較少.筆者基于并行計(jì)算平臺(tái)，利用Fluent軟件對(duì)不同軸向間距下兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)的三維非定常失穩(wěn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究級(jí)間軸向間距對(duì)失速誘發(fā)機(jī)制的影響規(guī)律.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)機(jī)幾何模型和網(wǎng)格劃分

以某電站兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)共包括6部分：入口集流器、第一級(jí)動(dòng)葉、第一級(jí)靜葉、第二級(jí)動(dòng)葉、第二級(jí)靜葉以及出口段.圖1為軸流風(fēng)機(jī)的幾何模型，其中Rotor1、Rotor2分別代表第一、第二級(jí)動(dòng)葉，Stator1、Stator2分別代表第一、第二級(jí)靜葉.具體參數(shù)見表1.

圖1 軸流風(fēng)機(jī)幾何模型

結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1490入口直徑/m2．312出口直徑/m2．305動(dòng)葉片數(shù)24靜葉片數(shù)23輪轂比0．668轉(zhuǎn)子直徑/m1．778

改變軸流風(fēng)機(jī)中第一級(jí)靜葉與第二級(jí)動(dòng)葉間的距離以獲得3種軸向間距，如圖2所示，其中a表示第一級(jí)靜葉中長(zhǎng)葉片與第二級(jí)動(dòng)葉的軸向間距，c表示第二級(jí)動(dòng)葉的軸向弦長(zhǎng).所選取的3種軸向間距的具體數(shù)據(jù)見表2.

圖2 風(fēng)機(jī)級(jí)間距幾何位置示意圖

因軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用ICEM CFD軟件對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，動(dòng)葉片表面附加邊界層網(wǎng)格，并對(duì)葉片前后緣、葉頂間隙等局部區(qū)域進(jìn)行加密.動(dòng)葉片表面網(wǎng)格劃分及葉片前后緣局部放大圖如圖3所示.

為盡可能減小網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證.分別選取網(wǎng)格數(shù)約為185萬、302

表2 不同級(jí)間距取值

圖3 風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片表面網(wǎng)格劃分

萬、487萬、543萬和694萬5種情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，具體結(jié)果見圖4.考慮到計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，最終選擇網(wǎng)格數(shù)為543萬.為使各軸向間距下模擬結(jié)果橫向?qū)Ρ葧r(shí)，不考慮網(wǎng)格數(shù)量差異性，在網(wǎng)格劃分時(shí)，保證不同軸向間距下各部分以及整機(jī)網(wǎng)格的一致性.以軸向間距為(a/c)tip=1.61的兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)模型為基礎(chǔ)，繪制3種軸向間距下的幾何模型，具體網(wǎng)格數(shù)據(jù)見表3.

圖4 全壓-體積流量性能曲線

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

控制方程采用雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程，紊流模型采用SSTk-ω湍流模型.計(jì)算區(qū)域的入口選取集流器入口截面，邊界條件設(shè)置為壓力入口，參考?jí)毫?.計(jì)算區(qū)域出口選取擴(kuò)壓器出口截面，邊界條件為壓力出口，穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)給定出口壓力參考值，

表3 不同軸向間距下的網(wǎng)格數(shù)

非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)出口加載節(jié)流閥模型，使用編寫的UDF自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)迭代.穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，動(dòng)葉輪區(qū)域采用多重坐標(biāo)參考系，非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，動(dòng)葉輪區(qū)域采用滑移網(wǎng)格模型，旋轉(zhuǎn)壁面轉(zhuǎn)速為1 490 r/min.風(fēng)機(jī)各部分采用交界面(interface)邊界條件連接，其他區(qū)域采用壁面無滑移邊界條件.

1.3 節(jié)流閥模型

節(jié)流閥模型是目前關(guān)于風(fēng)機(jī)及壓氣機(jī)失穩(wěn)流場(chǎng)計(jì)算的主要模型之一.1989年，Cumpsty[16]提出了3種節(jié)流閥模型，He等[17-18]在此基礎(chǔ)上采用節(jié)流閥模型成功地模擬了旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象.之后，蔣康濤等多位學(xué)者[2,19-22]采用該模型研究了風(fēng)機(jī)或壓氣機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象.

建立包含軸流風(fēng)機(jī)及節(jié)流閥的失速模型，即風(fēng)機(jī)和節(jié)流閥直接相連，忽略氣腔的儲(chǔ)存效應(yīng)和工質(zhì)的慣性效應(yīng)，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的工況由風(fēng)機(jī)性能曲線和節(jié)流閥節(jié)流線的交點(diǎn)確定.節(jié)流閥處在風(fēng)機(jī)出口和外界環(huán)境之間，用節(jié)流閥函數(shù)確定二者的關(guān)系.考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)，本文的節(jié)流閥函數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中：pout為出口背壓；pin為環(huán)境大氣壓力；k0為常數(shù)；k1為閥門開度；ρ為空氣密度；U為出口軸向氣流速度.

通過設(shè)定k0值，使得節(jié)流閥初始工況時(shí)的閥門開度k1為1，隨著閥門開度k1的減小，閥門流量減少，逐步逼近旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的發(fā)生，直至k1趨向于零使閥門完全關(guān)死.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)機(jī)出口靜壓時(shí)域特性

為分析失速過程中風(fēng)機(jī)出口靜壓相對(duì)出口速度的變化規(guī)律，引入了出口靜壓系數(shù).出口靜壓系數(shù)表示出口壓力變化的無量綱數(shù)，能準(zhǔn)確表征風(fēng)機(jī)出口流體的紊流程度，其表達(dá)式為

(2)

2.2 監(jiān)視點(diǎn)分布及相對(duì)速度分析

為方便監(jiān)視失速發(fā)生前后風(fēng)機(jī)內(nèi)部相對(duì)速度變化規(guī)律，并獲得分析失速先兆和失速團(tuán)特征可靠的依據(jù)，在第一級(jí)動(dòng)葉內(nèi)部設(shè)置3個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，標(biāo)記為m1-1、m1-2和m1-3.3個(gè)監(jiān)視點(diǎn)位于第一級(jí)動(dòng)葉流道外50%徑向葉高靠近葉片前緣的位置，周向間隔3個(gè)流道，具體位置如圖6所示.采用同樣方法，第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)部也設(shè)置3個(gè)監(jiān)視點(diǎn)，分別標(biāo)記為m2-1、m2-2和m2-3.

選取aclose和afar2種軸向間距下的相對(duì)速度進(jìn)行分析，探究軸向間距對(duì)失速先兆類型以及起始位置的影響.圖7為旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生過程中監(jiān)視點(diǎn)處相對(duì)速度變化曲線，為觀察方便，對(duì)監(jiān)視點(diǎn)處相對(duì)速度的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，并在相對(duì)速度原來數(shù)值的基礎(chǔ)上依次遞加30.由圖7(a)可知，在aclose軸向間距下第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)首先出現(xiàn)失速先兆(如黑色豎線所標(biāo)示)，隨后第一級(jí)動(dòng)葉內(nèi)也出現(xiàn)失速先兆.從第二級(jí)動(dòng)葉出現(xiàn)失速先兆到第一級(jí)動(dòng)葉出現(xiàn)失速先兆，轉(zhuǎn)子經(jīng)歷0.72個(gè)旋轉(zhuǎn)周期.由圖7(b)可知，在afar軸向間距下，失速先兆從第二級(jí)動(dòng)葉出現(xiàn)傳播到第一級(jí)動(dòng)葉，轉(zhuǎn)子大約轉(zhuǎn)過0.83個(gè)旋轉(zhuǎn)周期.可見失速先兆從第二級(jí)動(dòng)葉傳播到第一級(jí)動(dòng)葉用時(shí)隨著兩級(jí)間距離的減小而縮短.

(a) aclose

(b) amiddle

(c) afar

圖6 監(jiān)視點(diǎn)分布圖

(a) aclose

(b) afar

通過計(jì)算得到2個(gè)軸向間距下失速先兆和失速團(tuán)的傳播速度，在aclose軸向間距下第一級(jí)動(dòng)葉失速先兆和失速團(tuán)的傳播速度分別為0.75n和0.50n(n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)，第二級(jí)動(dòng)葉分別為0.75n和0.50n；軸向間距為afar時(shí)第一級(jí)動(dòng)葉內(nèi)失速先兆和失速團(tuán)的傳播速度分別為0.67n和0.50n，第二級(jí)分別為0.60n和0.50n.從上述分析可知，在2種軸向間距下失速先兆表現(xiàn)出2個(gè)相同的特點(diǎn)：葉輪內(nèi)的非定常波動(dòng)呈現(xiàn)小尺度特征，失速先兆產(chǎn)生后大約經(jīng)歷5～7個(gè)旋轉(zhuǎn)周期發(fā)展為成熟的失速團(tuán)；失速先兆的旋轉(zhuǎn)速度較高，傳播時(shí)尺度和范圍迅速變大，發(fā)展為失速團(tuán)后旋轉(zhuǎn)速度下降.通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外失速先兆的研究結(jié)果[23-24]，判定這2種軸向間距下風(fēng)機(jī)失速先兆均為突尖型.

2.3 不同軸向間距下失速發(fā)生時(shí)的流場(chǎng)特征

通過上述2種軸向間距下失速先兆起始時(shí)刻的分析，發(fā)現(xiàn)失速先兆首先出現(xiàn)在第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)，對(duì)這2種軸向間距下第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)的流場(chǎng)特征進(jìn)行分析.為便于研究軸向間距對(duì)動(dòng)葉內(nèi)失速先兆的影響機(jī)理，取第二級(jí)動(dòng)葉輪內(nèi)中間截面和葉頂間隙截面，具體位置如圖8所示.筆者選取了失速發(fā)展過程中2個(gè)典型時(shí)刻進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9～圖11所示.

圖8 葉輪內(nèi)截面示意圖

圖9為風(fēng)機(jī)處于失速發(fā)生前的近失速工況下的流場(chǎng)分布圖.從圖9(a)可以看出，2種軸向間距下葉輪內(nèi)部各個(gè)流道相對(duì)速度處于均勻一致的狀態(tài)，但葉頂間隙區(qū)域出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，流道中受不穩(wěn)定擾動(dòng)的區(qū)域很小.圖9(b)為葉頂間隙截面的速度矢量圖，其中Va表示主流速度，Vb表示泄漏流的速度，Vc、Vd表示部分主流與泄漏流交匯后的速度.其中Vb在4種速度中數(shù)值較大，這是由于泄漏流受到壓力面至吸力面壓差的推動(dòng)，速度增大.由于葉頂間隙靠近風(fēng)機(jī)外壁，外壁處流體速度為0，受氣體黏性力的影響，速度Va、Vc和Vd均較小.雖然泄漏流速度較大，但相對(duì)主流，泄漏流質(zhì)量流量較小，其與主流交匯后只有部分流體速度發(fā)生改變，速度與葉片弦長(zhǎng)之間的夾角增大，速度減小.2種軸向間距下，葉頂間隙處流體的流場(chǎng)特性比較相似.圖9(c)為與圖9(b)相同位置的靜壓分布圖.沿黑色箭頭的方向，存在遞減的壓力梯度，勢(shì)必會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生沿箭頭方向的作用力，由圖9(b)分析可知，受泄漏流影響，部分主流體的速度與葉片弦長(zhǎng)之間的夾角增大，造成沿黑色箭頭反方向的分速度減小，隨著流體的流動(dòng)，這個(gè)方向的分速度又會(huì)在壓力梯度的作用下進(jìn)一步減小，造成這部分主流夾角進(jìn)一步增大.

隨著流場(chǎng)進(jìn)一步演化至圖10所示，此時(shí)失速先兆剛剛出現(xiàn).圖10(a)為中間截面流線分布.由圖10(a)可知，2種軸向間距下均在葉頂區(qū)域出現(xiàn)分離渦.在aclose軸向間距下，分離渦占據(jù)1個(gè)流道，從圓圈標(biāo)示處可以看出，葉輪頂部靠近壓力面一側(cè)形成一個(gè)分離渦，形成分離渦的流線延伸至流道另一側(cè)的葉頂間隙A處.與軸向間距為aclose時(shí)相比，在afar軸向間距下，形成分離渦的位置和大小比較相似，但葉頂附近同時(shí)有3個(gè)相鄰的流道出現(xiàn)擾動(dòng)，數(shù)目增加2個(gè).圖10(b)表示葉頂間隙截面的速度矢量圖.由圖10(b)可知，軸向間距為aclose時(shí)，圓圈標(biāo)示處出現(xiàn)分離渦，分離渦的流體大部分為上方相鄰流道的泄漏流繞過尾緣附近反向流入形成，還有少部分的流體直接從葉頂間隙流入形成，如圖中箭頭所示，這2種方式流入的泄漏流與主流相互作用形成分離渦.相比軸向間距aclose，軸向間距為afar時(shí)圓圈處形成的分離渦占據(jù)葉頂區(qū)域的面積較小，形成分離渦的流體主要來自葉頂間隙泄漏流，幾乎沒有來自尾緣附近的流體，如箭頭所示.直接流入的泄漏流與主流相互作用，形成分離渦.圖10(c)為圖10(b)相同位置的靜壓分布圖，線圈B處為流道內(nèi)產(chǎn)生分離渦之后的靜壓，葉片前緣靠近吸力面一側(cè)的低壓區(qū)域進(jìn)一步變小，流道出口的高壓區(qū)向流道進(jìn)口傳播.在下方相鄰流道(轉(zhuǎn)子傳播方向相反)前緣附近靠近吸力面形成區(qū)域較大的低壓區(qū)，如線圈C處所示，形成的低壓區(qū)產(chǎn)生壓力梯度作用力，在壓力梯度的作用以及流體速度較小，與葉片弦長(zhǎng)夾角較大的部分流體與主流體相互作用產(chǎn)生新的分離渦，失速先兆會(huì)沿著與轉(zhuǎn)速相反的方向傳播.

acloseafar

(a) 中間截面流線分布圖

(b) 葉頂間隙截面速度矢量圖

(c) 葉頂間隙截面靜壓分布圖

圖9 近失速工況下流場(chǎng)分布圖

Fig.9 Flow field of the fan near stall condition

acloseafar

(a) 中間截面流線分布圖

(b) 葉頂間隙截面速度矢量圖

(c) 葉頂間隙截面靜壓分布圖

圖10 失速先兆出現(xiàn)時(shí)流場(chǎng)分布圖

Fig.10 Flow field of the fan under stall inception condition

圖11給出了失速先兆進(jìn)一步發(fā)展，但未演化為成熟的失速團(tuán)時(shí)的流場(chǎng)分布圖.圖11(a)為中間截面的流線分布，可知2種軸向間距下受分離渦影響的流道進(jìn)一步增加，面積進(jìn)一步擴(kuò)大.軸向間距為aclose時(shí)，分離渦區(qū)域占據(jù)5個(gè)相鄰的流道，圓圈處2個(gè)流道內(nèi)分離渦占據(jù)40%葉高，其余3個(gè)流道分離渦范圍較小，均在葉頂附近.在afar軸向間距下，分離渦區(qū)域也占據(jù)5個(gè)流道，其中圓圈標(biāo)示的2個(gè)流道內(nèi)的分離渦占據(jù)30%葉高，其余3個(gè)分離渦影響范圍較小.圖11(b)、圖11 (c)分別為葉頂間隙相同位置的速度和靜壓分布圖.從圖11(b)和圖11(c)可以看出，軸向間距為aclose時(shí)，葉頂間隙內(nèi)的流體由流道出口向進(jìn)口反向流動(dòng)，到達(dá)前緣點(diǎn)附近時(shí)流體逆著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向流動(dòng).中間流道回流的流體相對(duì)于上下2個(gè)流道流量較少.從靜壓圖中可以看出，中間流道所對(duì)應(yīng)的進(jìn)口靜壓較高，抑制了流體的回流.軸向間距為afar時(shí)，流體也是從流道出口向進(jìn)口回流但流體直接從進(jìn)口流出，流道內(nèi)靜壓整體數(shù)值減小且分布較為均勻.

3 結(jié) 論

(1)隨著軸向間距的減小，各軸向間距下風(fēng)機(jī)尚未失速時(shí)總靜壓系數(shù)逐漸增大，軸流風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作范圍隨軸向間距的減小而得到拓寬.

(2)軸向間距對(duì)兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)失速先兆表現(xiàn)形式?jīng)]有影響.不同軸向間距下，風(fēng)機(jī)內(nèi)失速先兆均為突尖型，且均首先出現(xiàn)在第二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)，但失速先兆從第二級(jí)動(dòng)葉傳播到第一級(jí)動(dòng)葉所用的時(shí)間隨著軸向間距的減小而縮短.

acloseafar

(a) 中間截面流線分布圖

(b) 葉頂間隙截面速度矢量圖

(c) 葉頂間隙截面靜壓分布圖

圖11 旋轉(zhuǎn)失速演化工況下流場(chǎng)分布圖

Fig.11 Flow field of the fan under rotating stall development condition

(3)軸向間距對(duì)分離渦的產(chǎn)生具有重要影響.軸向間距不同時(shí)，分離渦的形成呈現(xiàn)2種方式：軸向間距較小時(shí)，分離渦的流體大部分由相鄰流道的泄漏流繞過尾緣附近反向流入形成，還有少部分的流體直接從葉頂間隙流入形成，這2種方式流入的泄漏流與主流相互作用形成分離渦；軸向間距較大時(shí)，分離渦主要由葉頂間隙的泄漏流直接流入并與主流相互作用形成.與較小軸向間距相比，較大軸向間距下分離渦的數(shù)目較多，但分離渦所占的面積相對(duì)較小.

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Influence Mechanism of Axial Spacing on Stall Inception of a Two-stage Axial-flow Fan

ZHANGLei,YUANWei,WANGSongling,ZHANGQian

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Based on throttle valve function and SSTk-ωturbulence model, the unsteady flow process in stall condition of an axial-flow fan with adjustable vanes in a certain power plant was numerically studied, so as to analyze the influence mechanism of three different axial spacings on the initiation position, form and development of the stall. Results show that the stable operation range of axial flow fan is widened with decreasing axial spacing; all the stall inceptions are in the same form of spike type under different axial spacings, which firstly appears in the tip region of second rotor; with the rise of axial spacing, the time taken by stall inception from the second rotor to the first rotor increases; when the axial spacing is relatively small, the formation of separation vortex is resulted from the interaction between main flow and trailing edge back flow, whereas when the axial spacing is relatively large, the formation of separation vortex is related to the leakage flow from tip clearance.

axial-flow fan; separation vortex; axial spacing; stall inception

2015-11-23

2016-01-04

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016502098)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014MS113)；國(guó)家留學(xué)基金資助項(xiàng)目

張 磊(1983-)，男，河南焦作人，副教授，博士，研究方向?yàn)槿~輪機(jī)械內(nèi)非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬以及葉輪機(jī)械的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.電話(Tel.):13831272833；E-mail：ncepu_zhanglei@163.com.

1674-7607(2016)10-0801-09

TK223.26

A 學(xué)科分類號(hào)：470.30