高負(fù)荷軸流風(fēng)扇中彎曲動(dòng)葉的應(yīng)用研究?

陳榴胡磊戴韌

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.上海電氣電站發(fā)電設(shè)備有限公司）

高負(fù)荷軸流風(fēng)扇中彎曲動(dòng)葉的應(yīng)用研究?

陳榴1胡磊2戴韌1

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.上海電氣電站發(fā)電設(shè)備有限公司）

本文采用彎曲葉片設(shè)計(jì)方法，對(duì)前期設(shè)計(jì)的大折轉(zhuǎn)角高負(fù)荷軸流風(fēng)扇的葉輪葉片進(jìn)行根部正彎處理，彎角為30°。采用數(shù)值模擬方法，對(duì)比了直葉片和正彎葉片的葉輪流場(chǎng)，確定了彎葉片氣動(dòng)作用的有效性。結(jié)果表明設(shè)計(jì)工況下，利用徑向葉片力，壓制了由于旋轉(zhuǎn)和葉柵高擴(kuò)壓度引起的輪轂分離流動(dòng)。正彎動(dòng)葉級(jí)效率提高了1.64%，靜壓升增大了10.74%。動(dòng)葉吸力面根部分離區(qū)位置后移，強(qiáng)度減弱，靜葉吸力面流動(dòng)有明顯改善，低速區(qū)均明顯減小，通流能力增大，降低了葉柵內(nèi)部流場(chǎng)中的能量損失。

高負(fù)荷；軸流風(fēng)扇；彎曲動(dòng)葉

0 引言

通過(guò)增大葉型的折轉(zhuǎn)角來(lái)提升風(fēng)扇的切向扭矩，提高葉型的氣動(dòng)載荷，從而提升風(fēng)扇的壓比，降低風(fēng)扇級(jí)數(shù)，是縮小電站大型冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸的一個(gè)有效措施，同時(shí)也被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到減輕重量，提高推重比的目的。

葉片負(fù)荷的增加勢(shì)必導(dǎo)致擴(kuò)壓葉柵內(nèi)逆壓梯度增強(qiáng)，使得葉片端壁及吸力面附面層更易發(fā)生分離，造成二次流損失增大，效率下降[1]。Shang[2]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指出，靜葉傾斜或者彎曲，可以有效的控制流道內(nèi)角渦的生成。

彎曲葉片通過(guò)控制葉片表面與氣流的作用力在徑向的分量，控制徑向壓力梯度，以實(shí)現(xiàn)控制邊界層遷移的目的。該技術(shù)最早是由王仲奇教授和前蘇聯(lián)的費(fèi)里鮑夫于60年代提出的。有研究表明，當(dāng)壓氣機(jī)靜葉使用彎葉片時(shí)，效率可提高1%左右[3]。

Bogod[4]等人將6種不同彎曲形式的出口導(dǎo)葉柵應(yīng)用在多級(jí)壓氣機(jī)的中亞音速級(jí)中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明所有5種彎曲葉片級(jí)的總特性都有所改善。王會(huì)社等[5]對(duì)不同彎角的正彎曲葉片壓氣機(jī)葉柵進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明葉片彎曲可以降低葉柵端部損失，合理的葉柵正彎角度將會(huì)降低葉柵總損失。

彎曲導(dǎo)葉通過(guò)改善動(dòng)葉進(jìn)口的進(jìn)口沖角，間接改善了高負(fù)荷風(fēng)扇的內(nèi)部流動(dòng)。在高負(fù)荷風(fēng)扇中，葉片表面的附面層在徑向壓力梯度的作用下，從葉頂向葉片根部遷移，并與輪轂上的附面層在角區(qū)交匯，形成附面層低能流體的堆積，造成了高負(fù)荷葉片的二次流增強(qiáng)。上述文獻(xiàn)均通過(guò)改善導(dǎo)葉流動(dòng)，從而間接改善動(dòng)葉的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于彎曲動(dòng)葉對(duì)風(fēng)扇性能的影響機(jī)理研究，公開(kāi)的文獻(xiàn)較少[6-8]，需要進(jìn)一步深入的分析。

因此，本文對(duì)某高負(fù)荷軸流風(fēng)扇整級(jí)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了彎曲動(dòng)葉對(duì)高負(fù)荷風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響，為應(yīng)用彎曲葉片提升高負(fù)荷風(fēng)扇效率提供理論依據(jù)。

1 物理模型

本文以前期設(shè)計(jì)的高負(fù)荷風(fēng)扇為原型[9]，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，采用積疊線法對(duì)風(fēng)扇根部進(jìn)行正彎處理，此時(shí)葉片壓力面與內(nèi)端壁的夾角為銳角[10]，如圖1（a）所示。

壓氣機(jī)中采用彎曲葉片的效果可能不如透平中明顯，葉片的最佳傾角可能大于透平[11]?；谀承╈o葉實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]以及作者對(duì)葉片彎角的正交實(shí)驗(yàn)，本文報(bào)告了其中相對(duì)效果比較明顯的一個(gè)應(yīng)用案例，彎角選為30°，彎高約為30%的葉片高度。30%～100%的葉高范圍內(nèi)，積疊線為直線，彎曲動(dòng)葉的幾何模型如圖1（b）所示。

表1 風(fēng)扇主要設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab1.The main design parameters

圖1 彎動(dòng)葉積疊線及葉片形狀示意圖Fig.1The stacking line and bowed blades

2 計(jì)算方法

風(fēng)扇動(dòng)葉和靜葉流道空間離散網(wǎng)格使用商業(yè)軟件IGG/AutoGrid模塊生成。在風(fēng)扇進(jìn)、出口采用H型網(wǎng)格，在葉片排通道中采用O型網(wǎng)格，如圖2所示。動(dòng)葉流道網(wǎng)格分布為：41×61×105（周向×展向×流向），動(dòng)葉網(wǎng)格分布為：17×61×161（周向×展向×流向）；靜葉流道網(wǎng)格分布為：41×61×101（周向×展向×流向），靜葉網(wǎng)格分布為：17×61×153。動(dòng)、靜葉排在計(jì)算中均加入1.9mm間隙，間隙內(nèi)采用蝶形網(wǎng)格，網(wǎng)格徑向分布為13層，網(wǎng)格總數(shù)約為82萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Portion of the mesh

使用FINE/Turbo求解三維N-S方程組，采用Extended Wall Functionk-ε湍流模型。為提高計(jì)算效率使用了多重網(wǎng)格法，當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)等加速收斂措施。

在輪轂、機(jī)匣以及葉片等固壁上給定絕熱無(wú)滑移邊界條件；進(jìn)口給定總溫、總壓和軸向進(jìn)氣方向；出口給定質(zhì)量流量。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 級(jí)性能的改進(jìn)

圖3、圖4給出了原始直動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)與彎動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)的性能對(duì)比曲線。從流量與效率圖上可以看出，在設(shè)計(jì)流量系數(shù)0.556的工況下，正彎動(dòng)葉級(jí)效率提高了1.64%，靜壓升增大了10.74%?？梢?jiàn)，動(dòng)葉采取正彎葉片極大改善了葉柵內(nèi)部流動(dòng)情況，提高了靜壓升和效率。

圖3 效率-流量關(guān)系曲線圖Fig.3Efficiency Vs.Mass flow rate

圖4 靜壓升-流量關(guān)系曲線圖Fig.4Static pressure rise vs.mass flow rate

從圖5給出的設(shè)計(jì)工況下直動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)與彎動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)出口總壓比和等熵效率沿葉高分布可以看出，彎曲動(dòng)葉極大改善了根部區(qū)域流動(dòng)特性。在30%葉高以下區(qū)域，風(fēng)扇級(jí)總壓比和等熵效率均得到了提升。在20%葉高處，總壓比提高了1%，等熵效率提升了19%。

圖5 設(shè)計(jì)工況下氣動(dòng)性能參數(shù)沿葉高分布Fig.5Distribution of parameters along span

3.2 彎曲動(dòng)葉的作用

圖6給出了動(dòng)葉吸力面極限流線圖。從圖中可以看出，彎曲動(dòng)葉有效的抑制了擴(kuò)張流道內(nèi)由于逆壓梯度造成的流動(dòng)分離。當(dāng)動(dòng)葉彎曲后，葉片前部吸力面逆壓梯度減小，邊界層增厚減弱，分離延遲。該結(jié)論與文獻(xiàn)[13]中的結(jié)論一致，即合適的彎角可以使角區(qū)分離起始點(diǎn)后移。

圖6動(dòng)葉吸力面極限流線圖(0.556 2)Fig.6Limit streamline along suction surface of rotor blade

圖7 給出了動(dòng)葉柵S3流面上的速度云圖。從圖中可以看出，加彎動(dòng)葉根部的低速區(qū)明顯減小，其堆積在根部的低能流體較少，從而降低了端部損失。

圖7 S3流面速度云圖Fig.7Velocity contour along S3 surface

為了更好的研究彎曲動(dòng)葉內(nèi)部的流動(dòng)，定義動(dòng)葉能量損失系數(shù)：

圖8 動(dòng)葉沿葉高能量損失系數(shù)Fig.8Energy loss coefficient of rotor along span

圖9 給出了不同葉高處的葉型載荷分布。從圖中可以看出彎曲動(dòng)葉根部載荷有所降低，有效的減少低能流體在葉根處聚集，抑制了端部流動(dòng)的分離。中部葉型載荷幾乎不變，保證了風(fēng)扇的做功能力。同時(shí)頂部葉型載荷略微有些減小，但是可以降低葉頂間隙的泄漏流損失，又提高做功效率。因此葉輪總體做功能力并不受影響，反映在葉輪出口軸向平均總壓在30%～100%葉高范圍，幾乎沒(méi)有變化，如圖10所示。

圖9 不同葉高處的動(dòng)葉片載荷分布Fig.9Distribution of static pressure on the different span surface of rotor blade

圖10 總壓比沿葉高分布Fig.10Comparison of total pressure ratio along the spanwise

3.3導(dǎo)向葉柵流動(dòng)

圖11給出了靜葉柵吸力面的極限流線。從圖中可以看出，由于原型風(fēng)扇上游動(dòng)葉根部產(chǎn)生了很大的分離區(qū)，該低能流體向下游傳播，在靜葉吸力面根部靠近尾緣處重新附著，導(dǎo)致整個(gè)靜葉流動(dòng)損失增加。而彎曲動(dòng)葉有效地抑制了動(dòng)葉出口的分離區(qū)，減弱了端部低能流體的堆積，因此在向下游傳播的過(guò)程中，很容易耗散，在下游靜葉的吸力面上幾乎看不到分離區(qū)的影響。但是，從圖中也可以看出，正彎風(fēng)扇靜葉頂部的分離區(qū)略有所增大。

圖11 靜葉吸力面極限流線圖Fig.11Limitstreamlinealongsuctionsurfaceofstatorblade

從圖12給出的靜葉柵流道內(nèi)的速度云圖可以看出，由于正彎動(dòng)葉風(fēng)扇靜葉根部的低能流體聚集較少，而原型風(fēng)扇靜葉根部低能流體在出口處大量堆積，導(dǎo)致了流動(dòng)損失增大。

圖12 S3流面速度云圖Fig.12Velocity contour along on S3 surface

為了更好的說(shuō)明靜葉柵內(nèi)的流動(dòng)損失，定義靜葉總壓損失系數(shù)：

從圖13中可以看出，由于動(dòng)葉正彎后改善了其吸力面根部分離流的情況，流體流入靜葉后流動(dòng)狀況良好，正彎動(dòng)葉級(jí)中靜葉10%到40%葉高范圍損失系數(shù)明顯小于直動(dòng)葉級(jí)中的靜葉。在20%葉高處，靜葉總壓損失降低了60%。

圖13靜葉沿葉高總壓損失系數(shù)Fig.13Energy loss coefficient of stator along span

圖14 給出了不同葉高處?kù)o葉表面載荷分布。從圖中可以看出，與原始風(fēng)扇相比，彎動(dòng)葉風(fēng)扇的靜葉具有較高的靜壓升。其中根部葉片表面載荷有所降低。對(duì)于端部低能流體而言，橫向壓力梯度減小，不容易在端壁處堆積，造成流動(dòng)損失增大。

圖14 不同葉高處?kù)o葉片載荷分布Fig.14Distribution of static pressure on the different span surface of stator blade

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)直動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)和正彎動(dòng)葉風(fēng)扇級(jí)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）動(dòng)葉采用正彎葉片后，整級(jí)性能及做功能力都有明顯提升。在設(shè)計(jì)工況流量系數(shù)為0.556時(shí)，正彎動(dòng)葉級(jí)效率提高了1.64%，靜壓升增大了10.74%。

2）正彎動(dòng)葉級(jí)動(dòng)、靜葉吸力面根部分離流強(qiáng)度降低，低速區(qū)明顯減小，低能流體不會(huì)堆積在靜葉根部吸力面處，減小了損失。

3）動(dòng)葉根部進(jìn)行正彎能夠改善高負(fù)荷軸流風(fēng)扇根部流動(dòng)情況，降低葉柵內(nèi)部流場(chǎng)中的能量損失。

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Flow Performance of Highly Loaded Axial Fan with Bowed Rotor Blades

Liu Chen1Lei Hu2Ren Dai1
(1.University of Shanghai for Science and Technology；2.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.,Ltd.Generator Plant)

high-loaded,axial fan,bowed rotor blade

TH452；TK05

1006-8155-(2017)03-0014-06

A

10.16492/j.fjjs.2017.03.0003

上海市科委戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)專項(xiàng)（16DZ1121202）

2017-05-12上海200093

Abstrac：Partial bowed rotor blade was proposed for a newly design high-loaded axial fan.The blade was positively bowed 30 degree from hub to 30 percent spanwise position.Flows of radial blade and bowed blade fans were numerically compared for various operation conditions.The results show that the bowed blade induces radial forces on the fluid,so that the separations caused by the rotation and high diffusion on the endwall are suppressed.And the fan’s performance are obviously improved.At the designed condition,the efficiency of bowed fan is increased 1.64%and the static pressure rise is increased 10.74%.Comparing the flow structure,it can be found that the separation in the bowed fan is reduced and postponed.Inlet flow to downstream stator is improved and the low momentum area is obviously decreased.The flow losses is reduced significantly.