不同工況下對(duì)旋風(fēng)機(jī)第二級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速匹配研究

艾子健 ，吳 龍 ，高 浩 ，李青虹

（1.美麗中國(guó)發(fā)展研究院，365004，福建 三明 ；2.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，365004，福建 三明；3.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，365004，福建 三明）

對(duì)旋風(fēng)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的通風(fēng)換氣葉輪機(jī)械，其核心部件是兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、葉片安裝角相反的葉輪。與多級(jí)軸流風(fēng)機(jī)相比，對(duì)旋風(fēng)機(jī)具有軸向尺寸短、壓升高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)旋風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)第二級(jí)電機(jī)過載、風(fēng)壓太低、效率過低等現(xiàn)象。通過對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉輪區(qū)域的內(nèi)流特性、整機(jī)及葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、氣動(dòng)聲學(xué)性能等方面的研究[1-6]表明：對(duì)旋風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在不合適的工況，會(huì)出現(xiàn)上述問題，其本質(zhì)原因是當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，第二級(jí)葉輪的壓升與功率出現(xiàn)大幅度波動(dòng)[7]。改變兩級(jí)葉輪的葉片安裝角，調(diào)整兩級(jí)葉輪級(jí)間間隙能夠在一定程度上改善第二級(jí)葉輪性能變化的問題[8-9]。已有研究[11-13]證明了改變對(duì)旋風(fēng)機(jī)或?qū)π龎簹鈾C(jī)的兩級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)兩級(jí)葉輪負(fù)荷分配、內(nèi)部流動(dòng)和運(yùn)行效率產(chǎn)生影響。

本文試圖利用數(shù)值方法，通過在不同運(yùn)行工況下，適當(dāng)改變第二級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速，研究對(duì)旋風(fēng)機(jī)在第二級(jí)葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行時(shí)的整機(jī)性能、葉輪壓升、功率特性，以期獲得提高對(duì)旋風(fēng)機(jī)工況適應(yīng)能力的方法。

1 數(shù)值模擬研究方法

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

對(duì)旋風(fēng)機(jī)的整機(jī)三維計(jì)算模型，包括進(jìn)口區(qū)域、一級(jí)葉輪區(qū)域、級(jí)間間隙區(qū)域、二級(jí)葉輪區(qū)域、出口區(qū)域五部分，其設(shè)計(jì)流量為1.65 m3/s、設(shè)計(jì)全壓升為1 620 Pa、葉頂半徑為190.5 mm、輪轂直徑為245 mm、一級(jí)葉片數(shù)為11、二級(jí)葉片數(shù)為10、額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min。

利用TurboGrid對(duì)一級(jí)葉輪區(qū)域和二級(jí)葉輪區(qū)域進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，葉輪區(qū)域網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并進(jìn)行局部加密處理。進(jìn)口區(qū)域、級(jí)間間隙區(qū)域、出口區(qū)域進(jìn)行采用三維造型軟件及ICEM網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)與葉輪交接的部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。

1.2 邊界條件及數(shù)值計(jì)算方法設(shè)置

邊界條件設(shè)置中主要包括下述3部分：

（1）一級(jí)葉輪區(qū)域與二級(jí)葉輪區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)部件，進(jìn)口區(qū)域、級(jí)間間隙區(qū)域、出口區(qū)域3個(gè)部件為靜止部件。旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件的交界面采用Frozen Rotor動(dòng)靜交界面。

（2）風(fēng)機(jī)進(jìn)口面設(shè)置為inlet，給定邊界條件為質(zhì)量流量值。風(fēng)機(jī)出口面設(shè)置為outlet，給定壓力邊界條件Static Pressure=0。

（3）其余壁面均設(shè)置為Wall，并設(shè)置為No Slip Wall固壁無滑移邊界條件。

在數(shù)值計(jì)算方法設(shè)置時(shí)，采用High Resolution高階求解模式作為Advection Scheme差分格式；采用Realizable k-ε兩方程模型作為湍流模型；Timescale Control設(shè)置為Physical Timescale物理時(shí)間尺度，Physical Timescale值取旋轉(zhuǎn)角速度ω的倒數(shù)，殘差目標(biāo)取值1×10-4。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)整機(jī)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定4套網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，分析進(jìn)口流量為1.86 m3/s時(shí)風(fēng)機(jī)的流動(dòng)，分別計(jì)算4種網(wǎng)格模型的整機(jī)效率，結(jié)果如表2所示。由表可知，方案3的結(jié)果相對(duì)誤差為0.065 282%，可認(rèn)為網(wǎng)格超過方案3后，計(jì)算結(jié)果基本不變，故選取網(wǎng)格方案3進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 兩級(jí)葉輪等轉(zhuǎn)速運(yùn)行

圖1～3分別為兩級(jí)葉輪等轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的整機(jī)性能曲線、葉輪效率曲線、葉輪壓升與功率曲線。由圖可知，等轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，兩級(jí)葉輪和整機(jī)在額定工況附近都保持較高的運(yùn)行效率，主要是因?yàn)樵陬~定工況，兩級(jí)葉輪的負(fù)荷相等，二者的性能處于最佳匹配狀態(tài)；在小流量工況時(shí)，兩級(jí)葉輪的效率均明顯下降；而在大流量工況，雖然一級(jí)葉輪效率略有提高，但二級(jí)葉輪效率迅速降低，使得整機(jī)效率迅速下降。在整個(gè)工況范圍內(nèi)，一級(jí)葉輪的壓升和軸功率變化不大，其電機(jī)基本保持較理想的滿負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。二級(jí)葉輪的壓升與軸功率受流量變化的影響顯著，在小流量工況運(yùn)行時(shí)，二級(jí)葉輪的壓升迅速升高，其軸功率也急劇增大，電機(jī)負(fù)荷易過載，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)二級(jí)電機(jī)將出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象；大流量工況運(yùn)行時(shí)，二級(jí)葉輪的壓升與軸功率均迅速下降，其運(yùn)行效率也大幅下降，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象?？偠灾瑑杉?jí)葉輪在偏離額定工況的狀態(tài)下，出現(xiàn)嚴(yán)重不匹配的問題。

圖1 等轉(zhuǎn)速整機(jī)性能曲線

圖2 等轉(zhuǎn)速葉輪效率曲線

圖3 等轉(zhuǎn)速葉輪壓升與功率曲線

2.2 第二級(jí)葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行

由上述分析可知，一級(jí)葉輪對(duì)流量的變化不敏感，在整個(gè)工況范圍內(nèi)都保持著較為平穩(wěn)高效的運(yùn)行狀態(tài)，而二級(jí)葉輪對(duì)流量的變化相當(dāng)敏感，在非額定工況性能下降較快，工況適應(yīng)能力差。為了消除對(duì)旋風(fēng)機(jī)在小流量工況和大流量工況運(yùn)行時(shí)兩級(jí)葉輪功率不匹配現(xiàn)象，采用第二級(jí)葉輪變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行，即保持一級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速不變，在小流量工況時(shí)適當(dāng)降低第二級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速，在大流量工況時(shí)適當(dāng)提高二級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)速，表2給出了9種工況流量下對(duì)應(yīng)的兩級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速的匹配值。利用數(shù)值模擬分析可以得出對(duì)旋風(fēng)機(jī)在表2中各個(gè)工況狀態(tài)下采用第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配后的運(yùn)行特性，圖4～6分別為第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配時(shí)的壓升、功率、效率圖。

表2 第二級(jí)葉輪變轉(zhuǎn)速匹配各工況的葉輪轉(zhuǎn)速值

圖4 第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配壓升-流量圖

由圖4可知，在全工況范圍內(nèi)，等轉(zhuǎn)速運(yùn)行和第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行時(shí)的第一級(jí)葉輪壓升特性基本相同，依舊保持著平穩(wěn)高效的運(yùn)行狀態(tài)，而采用第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配所獲得的第二級(jí)葉輪壓升特性明顯發(fā)生了變化，在小流量工況得到明顯降低，在大流量工況得到明顯提升，使得在全工況范圍內(nèi)，第二級(jí)葉輪的壓升特性有所改善，整機(jī)壓升在小流量工況略有降低，但在大流量工況有顯著提高。

由圖5可知，采用第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行時(shí)，第一級(jí)葉輪的功率保持不變。第二級(jí)電機(jī)軸功率也得到有效的調(diào)整，小流量工況第二級(jí)功率得到降低，大流量工況第二級(jí)功率得到提高，在全工況范圍內(nèi)基本保持良好的滿負(fù)荷平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，既充分利用了電機(jī)的做功能力，又避免了電機(jī)燒毀的現(xiàn)象。

由圖6可知，與等轉(zhuǎn)速運(yùn)行相比，一級(jí)葉輪效率基本不變，二級(jí)葉輪效率在小流量工況有明顯提高，在大流量工況有顯著提高，使得整機(jī)效率在小流量和大流量工況均有很大的提升，極大程度地?cái)U(kuò)大了對(duì)旋風(fēng)機(jī)的高效工作范圍。

圖5 第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配功率-流量圖

圖6 第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配效率-流量圖

圖7為對(duì)旋風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪等轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，小流量工況（q=1.434 6 m3/s）、額定流量附近工況（q=1.603 4 m3/s）、大流量工況（q=1.940 9m3/s）的第二級(jí)葉輪葉片表面靜壓云圖，圖中左半部分為吸力面，右半邊為壓力面（下同）。由圖可知，額定工況時(shí)葉片表面靜壓分布最均勻；小流量工況時(shí)葉片表面靜壓最大值明顯增大，靜壓最小值略有降低，靜壓整體明顯增大，說明此時(shí)葉輪壓升（負(fù)荷）增大；大流量工況時(shí)，葉片表面靜壓最大與最小值的差距變大，最大值向葉片前緣吸力面移動(dòng)，靜壓分布更加不均勻，說明此時(shí)葉輪區(qū)流動(dòng)變得紊亂，流動(dòng)效率大幅度下降，同時(shí)葉片表面靜壓整體大幅度減小，即葉輪壓升（負(fù)荷）大幅下降。

圖8為對(duì)旋風(fēng)機(jī)第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行時(shí)，小流量工況（q=1.434 6 m3/s）、額定流量附近工況（q=1.603 4 m3/s）、大流量工況（q=1.940 9 m3/s）的第二級(jí)葉輪葉片表面靜壓云圖。由圖可知，與等轉(zhuǎn)速運(yùn)行相比較，小流量工況時(shí)二級(jí)葉片表面整體靜壓值明顯降低，葉輪超負(fù)荷現(xiàn)象得到克服，靜壓最大值與最小值差異減小，靜壓分布更加均勻；大流量工況時(shí)，二級(jí)葉片壓力面靜壓增大明顯，葉片吸力面最小值變小，葉輪的壓升大幅提高，二級(jí)葉輪“大馬拉小車”現(xiàn)象得到克服。

圖7 等轉(zhuǎn)速運(yùn)行二級(jí)葉輪表面靜壓分布云圖

圖8 第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配運(yùn)行二級(jí)葉輪表面靜壓分布云圖

4 結(jié)論

介紹了利用CFD進(jìn)行對(duì)旋風(fēng)機(jī)全三維數(shù)值模擬的方法以及建模、網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算設(shè)置過程，分析了對(duì)旋風(fēng)機(jī)在兩級(jí)葉輪等轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，全工況范圍內(nèi)兩級(jí)葉輪和整機(jī)的性能結(jié)果表明：對(duì)旋風(fēng)機(jī)在額定工況附近運(yùn)行時(shí)，兩級(jí)葉輪的壓升特性相當(dāng)，葉輪效率和整機(jī)效率均較大；在小流量工況運(yùn)行時(shí)第二級(jí)電機(jī)易出現(xiàn)過載，同時(shí)兩級(jí)葉輪和整機(jī)效率均有所下降；大流量工況第二級(jí)葉輪壓升和效率將大弧下降，使得整機(jī)壓升和流動(dòng)效率明顯降低。

分析了對(duì)旋風(fēng)機(jī)在第二級(jí)葉輪變轉(zhuǎn)速匹配時(shí)兩級(jí)葉輪和整機(jī)在全工況范圍內(nèi)的性能。結(jié)果表明：采用第二級(jí)變轉(zhuǎn)速匹配能夠改善第二級(jí)葉輪的全工況范圍內(nèi)的性能，能夠更加合理地分配兩級(jí)葉輪的壓升和軸功率，有效地避免了小流量工況第二級(jí)電機(jī)易出現(xiàn)過載燒毀的現(xiàn)象，同時(shí)提高了第二級(jí)葉輪和整機(jī)在大流量工況時(shí)的壓升能力，拓展了整機(jī)壓升特性，擴(kuò)大了對(duì)旋風(fēng)機(jī)的使用范圍。此外，使二級(jí)葉輪效率在小流量工況有明顯提高，在大流量工況有顯著提高，大幅提升整機(jī)運(yùn)行效率，擴(kuò)大了對(duì)旋風(fēng)機(jī)的高效工作范圍。