軸流風(fēng)機(jī)葉片上弦差對(duì)其性能的影響研究

呂云鵬 巫少龍 趙志剛 金鑫君 朱鄭喬若

摘?要：本文研究了葉片上弦差對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能的影響，首先用SST湍流模型分別模擬了上弦差為45mm、50mm、55mm和60mm時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場特性和速度場特性，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。通過研究可發(fā)現(xiàn)，在臨界值內(nèi)隨著葉片上弦差變大，軸流風(fēng)機(jī)的靜壓值與靜壓效率都隨之變大，其中靜壓值的提升趨勢較為明顯。如果上弦差一旦超過臨界值，靜壓值并沒有很好的提升。此外，還驗(yàn)證了上弦差的變化對(duì)于靜壓效率的提升并不會(huì)起到很好的效果。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)機(jī);葉片上弦差;靜壓值;靜壓效率

由軸流風(fēng)機(jī)工作原理可知，在風(fēng)機(jī)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，葉片的結(jié)構(gòu)對(duì)整體的氣動(dòng)性能影響最大[1-2]。而軸流風(fēng)機(jī)葉片的上下弦差會(huì)從根本上對(duì)風(fēng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響，所以，軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，葉片的上下弦差的設(shè)計(jì)效果起著至關(guān)重要的作用[3]。

葉片上弦差對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)的流道有著決定性的影響，在特定的流量范圍內(nèi)，當(dāng)葉片上弦差越大，軸流風(fēng)機(jī)的性能越好。因此，通常研究者認(rèn)為軸流風(fēng)機(jī)葉片的上弦差越大越好，但是葉片上弦差增大的同時(shí)，葉片與氣流的接觸面積亦增大，導(dǎo)致在相同工況下對(duì)單位氣體做更多功的同時(shí)，葉片扭矩相應(yīng)變大，電機(jī)所消耗的機(jī)械能也隨之增強(qiáng)[4-6]。因此，本文研究葉片上弦差不同對(duì)軸流風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)流場進(jìn)行研究，相信能給其在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上提供一個(gè)新的思路[7]。

基于這一新的思路，本文以某廠家正在生產(chǎn)的一款軸流風(fēng)機(jī)作為研究目標(biāo)，分別借助k-ε模型、k-ω模型及SST?模型模擬不同葉片上弦差和工況下流道中的流動(dòng)特性，并進(jìn)行對(duì)比研究，探討在不同葉片上弦差下，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的性能所產(chǎn)生的變化趨勢，為軸流風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1?試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)是基于某通風(fēng)設(shè)備有限公司的軸流風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的。風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》;試驗(yàn)裝置為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的C型試驗(yàn)裝置：管道進(jìn)口、自由出口，整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用進(jìn)氣實(shí)驗(yàn)法[8-11]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1（b）所示。

2?三維建模及網(wǎng)格劃分

在軸流風(fēng)機(jī)的三維建模過程中，葉片模型是最重要的部分，同時(shí)也是較難建模的區(qū)域之一。本文所研究的對(duì)象為單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，采用Solidworks建模得到軸流風(fēng)機(jī)葉片模型如圖2所示，各結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下表所示。

繼生成軸流風(fēng)機(jī)三維實(shí)體后，風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格由Gridgen軟件生成。同葉片實(shí)體生成部分相同，因其各流道呈周期性排列，故在建立流道這一環(huán)節(jié)應(yīng)先建立單流道網(wǎng)格，然后利用建模軟件Gridgen中的Rotate?Copy命令生成全流道網(wǎng)格。如圖3（a）、圖3（b）所示分別為軸流風(fēng)機(jī)葉輪單流道網(wǎng)格和全流道網(wǎng)格。

3?計(jì)算方法

本次模擬研究主要分為三個(gè)區(qū)域：入口計(jì)算域（包含集流器）、葉輪計(jì)算域以及出口計(jì)算域。三個(gè)區(qū)域中計(jì)算域以及出口計(jì)算域均為靜止，故采用靜止坐標(biāo)系。而葉輪計(jì)算域是繞著葉輪的旋轉(zhuǎn)軸（Z軸）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)速為-1450rad/min，其中負(fù)號(hào)為旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)右手定則判斷。其中靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)交換通過設(shè)置動(dòng)靜交界面來實(shí)現(xiàn)[12]。

邊界條件的設(shè)定包括入口條件、出口條件、壁面類型、對(duì)稱面類型、流體介質(zhì)類型、環(huán)境物理?xiàng)l件等。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的研究類型，進(jìn)出口分別設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口和壓力出口。壁面根據(jù)實(shí)驗(yàn)原環(huán)境，均采用no?spill無滑移壁面。在動(dòng)靜交界面處，由于本文模擬采用的是穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法，采用參數(shù)單純交換的“Frozen?Rotor”方法。

4?不同葉片上弦差的流動(dòng)分析

葉片原有安裝角為22.5°，即上下弦差分別為50mm、60mm?，F(xiàn)分別改變上弦差為45mm、55mm以及60mm三種，與原模型進(jìn)行對(duì)比，分析其性能變化。

各弦差靜壓—流量曲線如圖4（a）所示。由圖可得，在只改動(dòng)上弦差大小的情況下，隨著上弦差的增大靜壓值也隨之增大。其中在流量較小的工況段影響較小，而在額定流量周圍的區(qū)間段影響比較明顯，在大流量區(qū)間段則最為明顯。由此可見上弦差的變化確實(shí)可以引起其氣流的攻角變化，而導(dǎo)致整體靜壓性能的提升。針對(duì)于設(shè)計(jì)工況（7.179kg/s）下，可以看出在45mm到55mm?間隨著上弦差的增大，靜壓值隨之變大，但是在55mm到60mm間，其變化的趨勢幾乎可以忽略，且在7.179kg/s后的靜壓趨勢可以得出，在質(zhì)量流量較大情況下隨著葉片上弦差的增大靜壓值并不能得到很好的提升，說明在氣流流速達(dá)到一定后，通過改變上弦差已經(jīng)很難達(dá)到提升靜壓的目的。

在設(shè)計(jì)工況qm=7.179kg/s下，上弦差45mm、50mm、55mm以及60mm的整體靜壓云圖如圖5所示。其中50mm為軸流風(fēng)機(jī)原葉片結(jié)構(gòu)，由圖5可得，各上弦差的變化并未改變軸流風(fēng)機(jī)軸向靜壓的整體趨勢，而在上弦差由45mm增大至60mm時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)的軸向靜壓值增長幅度也隨之增大，且增大的趨勢較為明顯。

而由圖5（a）可得，在葉片上弦差沿軸向變小為45mm時(shí)，軸流風(fēng)機(jī)的軸向靜壓增長趨勢直接遭到了破壞，在經(jīng)過葉片加速后的氣流，并未能很好的提升其靜壓能。不僅不存在圖5（c）與5（d）中的高壓區(qū)域，而且氣流經(jīng)過葉片加速后的靜壓提升效果相當(dāng)不明顯，相對(duì)比原葉片結(jié)構(gòu)圖5（b），風(fēng)機(jī)軸向的整體靜壓提升效果反而變差，這與圖4（a）所得的曲線是相符的。由此可得，針對(duì)于本研究對(duì)象，在原葉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將葉片沿軸向逆時(shí)針彎曲，即減小葉片上弦差值，不會(huì)改變軸流風(fēng)機(jī)的軸向靜壓趨勢，但是會(huì)破壞其原有的靜壓提升效果，導(dǎo)致整體的靜壓值降低。

從圖6各速度云圖來看，可以得出各弦差下的氣流軸向速度分布規(guī)律大致相同，重點(diǎn)的高速區(qū)域依然集中在葉頂間隙周圍區(qū)域，且隨著葉片上弦差的增大，周圍高速區(qū)域范圍也逐漸變大。葉片上弦差越大，葉頂間隙處的氣流速度越高，這說明葉片上弦差的變化，會(huì)引起葉頂間隙處二次流的變化，增大葉片上弦差導(dǎo)致回流速度變快，繼而增大能量損耗，反之則能減小間隙能量損耗。

將圖5與圖6一起分析加以對(duì)比風(fēng)機(jī)靜壓—流量圖與風(fēng)機(jī)靜壓效率—流量圖可得，減小葉片上弦差值，雖然會(huì)破壞風(fēng)機(jī)整體靜壓提升趨勢，但針對(duì)于降低葉頂間隙區(qū)域的二次流損失，還是有一定的改善作用;而增大葉片上弦差值，雖然會(huì)導(dǎo)致葉頂間隙區(qū)域的二次流損失加劇，但可以大大增加本次研究對(duì)象的整體靜壓提升效果，在葉頂間隙損失加劇及軸功率提高的前提下，靜壓效率已然能提升大約2個(gè)百分點(diǎn)。

5?結(jié)論

葉片上弦差的增大一定情況下對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能的確有較好的改善效果，在相同工況下，隨著葉片上弦差由小變大，軸流風(fēng)機(jī)的靜壓值由小變大，其中在額定工況（7.179kg/s）下，上弦差為60mm時(shí)，相對(duì)于原先的50mm，靜壓值提升了41Pa，效率提升約為2個(gè)百分點(diǎn)，但是相對(duì)于55mm，提升卻不明顯。由此可見上弦差在一定的范圍內(nèi)變化確實(shí)可以引起其氣流的攻角變化，而使整體靜壓性能的提升，但是若超越一定臨界值，靜壓性能提升不明顯。此外，本文研究表明，在相同工況下，隨著葉片上弦差由小變大，軸流風(fēng)機(jī)的靜壓效率的提升并不明顯，驗(yàn)證了上弦差僅適用于提升靜壓值。

本文的研究不僅驗(yàn)證了SST模型在離心式風(fēng)機(jī)CFD數(shù)值模擬的適用性，同時(shí)，也對(duì)將來風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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