前緣鋸齒形葉片對(duì)對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響

張 昕，高貴軍，錢(qián) 鈺，李鑫鑫

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024； 2.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024；3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西太原 030024)

引言

對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、流量大和易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，因此在煤炭開(kāi)采中被廣泛使用。不過(guò)根據(jù)調(diào)查顯示，礦用風(fēng)機(jī)在全國(guó)重點(diǎn)煤礦中的平均運(yùn)行效率低于60%，而其平均效率處于50%～60%之間的約占60%[1]，所以在研究對(duì)旋風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能時(shí)，要首先考慮是否符合國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略。

金聽(tīng)祥等[2]基于數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)方法研究了前緣鋸齒形葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)的影響，指出前緣鋸齒形葉片可以有效降低軸的輸入功率與噪聲值。HOWE[3-4]研究正弦形鋸齒尾緣和三角形鋸齒尾緣的降噪潛力時(shí)，在理論層面上指出，在一定的頻率范圍內(nèi)，合理的尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以很大程度地減少葉片尾緣噪聲的產(chǎn)生，為鋸齒結(jié)構(gòu)在葉片上的使用奠定了基礎(chǔ)。唐俊[5]針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)，基于葉片尾緣脫落渦是產(chǎn)生噪聲的重要因素，對(duì)葉片尾緣添加一種正弦鋸齒形結(jié)構(gòu)，與原型風(fēng)機(jī)相比低頻段噪聲有明顯改善。

本研究FBD No.8.0型礦用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，對(duì)葉片前緣實(shí)施不同尺寸的鋸齒形結(jié)構(gòu)，基于數(shù)值模擬葉片改型前后的對(duì)旋風(fēng)機(jī)性能，對(duì)比了前緣鋸齒形葉片和未改型葉片的氣動(dòng)性能，為前緣鋸齒形葉片在礦用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 原型風(fēng)機(jī)模型及鋸齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖1a所示，為FBD No.8.0型礦用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，為確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)該型號(hào)對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后如圖1b所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 對(duì)旋風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 FBD No.8.0型礦用對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)模型

運(yùn)用SolidWorks軟件建立物理模型，考慮到在對(duì)旋風(fēng)機(jī)中，葉片上半部分為主要的做功區(qū)域，故只將原型風(fēng)機(jī)葉片前緣部分由葉頂?shù)饺~根1/3處去除材料得到所研究的前緣鋸齒結(jié)構(gòu)，如圖2a所示。采用的鋸齒結(jié)構(gòu)如圖2b所示，其中L為葉片高度。本研究采用3種不同參數(shù)的鋸齒結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行比對(duì)分析。但考慮到對(duì)旋風(fēng)機(jī)一、二級(jí)葉輪均為動(dòng)葉，對(duì)不同葉輪開(kāi)設(shè)鋸齒結(jié)構(gòu)其結(jié)果可能并不相同，因此在接下來(lái)的分析中對(duì)一級(jí)葉輪、二級(jí)葉輪和一、二級(jí)葉輪分別開(kāi)設(shè)鋸齒結(jié)構(gòu)，其各種參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 前緣鋸齒形結(jié)構(gòu)葉片

表2 不同方案的鋸齒結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2 數(shù)值模擬方法及模型驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格劃分與數(shù)值模擬

將未改型的原型風(fēng)機(jī)與上述9個(gè)方案種的風(fēng)機(jī)模型分別導(dǎo)入到ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將風(fēng)筒和兩級(jí)葉輪分別使用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，然后疊加兩部分組成完整的網(wǎng)格模型[6]。并且考慮到兩級(jí)葉輪的葉片前緣和葉頂附近流動(dòng)的復(fù)雜性和保證計(jì)算結(jié)果的精度，故對(duì)這兩部分的進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。整體模型的網(wǎng)格數(shù)大約為370萬(wàn)網(wǎng)格，其中葉輪部分為290萬(wàn)網(wǎng)格，其全流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 全流場(chǎng)網(wǎng)格模型

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent軟件中，由于對(duì)旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)符合大雷諾數(shù)的湍流模型，故選用RNGk-ε湍流模型，集流器入口端面與風(fēng)筒尾部端面為整個(gè)流場(chǎng)的進(jìn)、出口，分別采用速度入口(Velocity Inlet)和自由出口(Outflow)條件[7-8]。方法選用多重參考系法(MRF)，第一、第二級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為±2900 rad/min，選用效率最高的工況進(jìn)行模擬研究，故將入口速度設(shè)置為15 m/s，對(duì)兩葉輪區(qū)域表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)面,剩下的其他面為靜止面；在數(shù)據(jù)傳遞和交換時(shí)，使用葉輪與風(fēng)筒區(qū)域交界面定義Interface進(jìn)行耦合[9]；求解方法使用SIMPLE算法，選擇標(biāo)準(zhǔn)壓力、二階迎風(fēng)得出結(jié)果；當(dāng)檢測(cè)曲線趨于穩(wěn)定，且殘差值小于1×10-5時(shí)，則可認(rèn)為計(jì)算收斂[10]。

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，且根據(jù)對(duì)旋風(fēng)機(jī)在實(shí)際使用中是壓入式通風(fēng)的特點(diǎn)。因此，采用GB/T 1236—2000中的B型裝置[11]，如圖4所示。采集了風(fēng)機(jī)在各個(gè)流量工況下的全壓與風(fēng)機(jī)效率。圖5對(duì)比了風(fēng)機(jī)的全壓與效率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值，可知風(fēng)機(jī)在流量為730 m3/min，也就是設(shè)計(jì)工況時(shí)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的效率均達(dá)到最大，之后隨著流量的繼續(xù)增加，效率隨之減小。其中模擬值較實(shí)驗(yàn)值效率平均偏差和全壓分別為1.12%, 0.47%，設(shè)計(jì)工況下的偏差為0.79%和0.05%，都小于5%，則表明仿真結(jié)果可靠性較高，建模與網(wǎng)格劃分可以反映真實(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況[12]：

圖5 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(1)

式中，T—— 葉輪轉(zhuǎn)矩,N·m

Psh—— 軸功率,kW

n—— 轉(zhuǎn)速,rad·min-1

(2)

式中，η—— 效率,%

p—— 全壓,Pa

3 結(jié)果分析

3.1 一級(jí)前緣鋸齒形葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

圖6分別展示了方案1、方案4、方案7與原風(fēng)機(jī)在第二級(jí)葉輪靠近出口端截面處的全壓分布云圖，由此能夠看到第二級(jí)葉輪靠近出口端截面處的全壓分布基本呈中心對(duì)稱分布，其中葉片上半部分相較下半部分的壓強(qiáng)值較高，且由葉根到輪轂中心區(qū)域的壓力值依次遞減。這主要是由于在相同轉(zhuǎn)速下，葉輪越遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，其線速度越大，做功能力也就越強(qiáng)，所以其壓力值也越大。

圖6 一級(jí)前緣鋸齒形葉片靠近出口端面壓強(qiáng)分布云圖

除此之外，2個(gè)相鄰葉片中間區(qū)域的壓強(qiáng)值相對(duì)較大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于氣體流動(dòng)遭到了葉片的阻礙，導(dǎo)致葉片之間的區(qū)域氣體湍流動(dòng)能升高，進(jìn)一步使得這些部位的壓強(qiáng)值相對(duì)較高。

圖7展示了這3種方案與原風(fēng)機(jī)在第一級(jí)葉輪附近的渦量分布，在第一級(jí)擁有鋸齒結(jié)構(gòu)葉片較原型風(fēng)機(jī)的渦量要少，這是因?yàn)樵陲L(fēng)機(jī)流道內(nèi)，壁面邊界層、通道內(nèi)渦流、葉片邊界層和葉頂泄漏流的共同作用下，對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)性能受到影響，前緣鋸齒形葉片能夠?qū)?/p>

流經(jīng)葉片前緣流場(chǎng)中的渦進(jìn)行碾壓破壞，從而降低了這些因素所造成的損失，進(jìn)而提高了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。進(jìn)一步對(duì)比，圖7c與圖7d相較于圖7b在第一機(jī)葉輪附近的渦量v要少，這是由于方案4和方案7的葉片所擁有的鋸齒形結(jié)構(gòu)中，鋸齒的齒寬與周期比方案1大，對(duì)于渦流的碾壓破壞效果要更好。

圖7 一級(jí)葉輪葉片附近渦量分布云圖

3.2 二級(jí)前緣鋸齒形葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

圖8顯示了方案2、方案5和方案8在第二級(jí)葉輪出口端截面處的全壓分布云圖，相較于原型風(fēng)機(jī)(如圖6a所示)，在二級(jí)葉輪出口截面壓強(qiáng)明顯增大，其原因與一級(jí)前緣鋸齒形葉輪類(lèi)似。進(jìn)一步對(duì)比分析，圖8b相較于圖8a與圖8c在第二級(jí)葉輪出口端截面處的壓強(qiáng)分布較高，其中方案5相較于方案2，在鋸齒形結(jié)構(gòu)中齒寬與周期更大，對(duì)渦流的破壞作用更強(qiáng)。而方案8與方案5相比，方案8的齒高較大，且由于鋸齒結(jié)構(gòu)是對(duì)原型風(fēng)機(jī)葉片前緣部分減料所得，相對(duì)較大的齒高會(huì)使得對(duì)葉片減料也相對(duì)較多，這使方案8的風(fēng)機(jī)葉片對(duì)氣流的做功面積減少，進(jìn)而在二級(jí)葉輪出口端截面壓強(qiáng)值略低于方案5。

圖8 二級(jí)葉輪出口端截面處壓強(qiáng)分布云圖

對(duì)比圖6與圖8后發(fā)現(xiàn)，一級(jí)葉輪前緣開(kāi)設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)對(duì)氣動(dòng)性能的改善要優(yōu)于二級(jí)葉輪，這是由于在對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)中，一級(jí)葉輪起到增加流量的作用。圖9對(duì)比方案1和方案2在兩級(jí)葉輪之間的渦量v分布云圖，由圖可知，當(dāng)氣流流經(jīng)一級(jí)葉輪時(shí)，擁

圖9 兩級(jí)葉輪間渦量v分布云圖

有前緣鋸齒形結(jié)構(gòu)的葉片會(huì)使兩級(jí)葉輪之間的渦流減少，從而使氣流在進(jìn)入二級(jí)葉輪時(shí)變得相對(duì)平穩(wěn)。其次因?yàn)橐患?jí)葉輪的葉片數(shù)要多于二級(jí)葉輪，同時(shí)氣體在一級(jí)葉輪處的流速要低于二級(jí)葉輪，而兩葉輪轉(zhuǎn)速大小相等，所以在單位時(shí)間內(nèi)，一級(jí)葉輪對(duì)流場(chǎng)中渦流的破壞要大于二級(jí)葉輪。在以上因素的綜合作用下，一級(jí)葉輪開(kāi)設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu)要強(qiáng)于二級(jí)葉輪。

3.3 一、二級(jí)前緣鋸齒葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

圖10顯示了方案3、方案6、方案9與在二級(jí)葉輪出口端截面處的壓力分布云圖。與圖6、圖8作比較，可以得到在一、二級(jí)葉輪上都開(kāi)設(shè)前緣鋸齒形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)整體性能提升最大。原因在于一級(jí)、二級(jí)前緣鋸齒形葉輪的綜合作用，使得風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)一步提升，其中方案6也就是一、二級(jí)葉片均開(kāi)設(shè)前緣鋸齒形葉片，其相對(duì)齒高為h/a=0.56時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)提升效果最好，全壓與效率較原型風(fēng)機(jī)分別提升了4.52%和2.53%。

圖10 一、二級(jí)葉輪出口端截面壓強(qiáng)分布云圖

4 結(jié)論

本研究以FDB No.8.0型礦用局部通風(fēng)機(jī)對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)工況下,不同鋸齒尺寸的葉片前緣鋸齒形風(fēng)機(jī)與未改型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探究了葉片前緣鋸齒形葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的影響，得到結(jié)論：

(1) 前緣鋸齒形葉片能有效提高葉輪的做功能力，碾壓破壞葉片附近的渦流，減少風(fēng)機(jī)內(nèi)部渦流損失，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)整體性能；

(2) 在前緣鋸齒形葉片中，齒寬和周期相對(duì)較大的鋸齒形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能提升也相對(duì)較大，但齒高不易過(guò)大，過(guò)大的齒高使得葉片做功面積減少，從而降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性；

(3) 在一級(jí)葉輪前緣開(kāi)設(shè)鋸齒形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的提升要優(yōu)于在二級(jí)葉輪前緣開(kāi)設(shè)鋸齒結(jié)構(gòu)；

(4) 一、二級(jí)葉輪均使用相對(duì)齒高為0.56的前緣鋸齒形葉片改善風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性效果最佳，其中全壓與效率分別提高了4.52%和2.53%。