葉片不同彎折角對(duì)高速斜流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響

徐 鵬，李 斌

（1. 海軍裝備部駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116000；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

當(dāng)前船舶領(lǐng)域，離心通風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)、換氣、除塵、采暖、輸送易燃易爆等方面作用巨大，是船舶輔助保障系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。在某些特殊環(huán)境下，如空間站、海上船舶等其他空間受限等場(chǎng)所，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)ε撌噎h(huán)境和其他通風(fēng)場(chǎng)所有非常高的要求，往往需要風(fēng)機(jī)在壓力、效率、體積、重量和噪聲等多方面互相兼顧，而這些參數(shù)間往往存在制約關(guān)系，所以做到“魚和熊掌兼得”非常不易。斜流風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)介于離心和軸流風(fēng)機(jī)之間，性能涵蓋范圍廣，兼具兩者流量系數(shù)大、效率高、壓力系數(shù)高、工作范圍廣等特點(diǎn)，并且重量輕，調(diào)節(jié)性能好。研究表明斜流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的徑向能夠有效的抑制葉頂間隙泄漏渦的破裂，氣流在流道內(nèi)沒有較大范圍的方向變化，加大流速也不會(huì)產(chǎn)生其他明顯的額外損失，這就為斜流風(fēng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速提供了理論依據(jù)。風(fēng)機(jī)葉片的不同展弦比結(jié)果表明，減小展弦比能有效增大風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的工作范圍，增大了風(fēng)機(jī)的可調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)整體的全壓和效率也有明顯的提高，同時(shí)被動(dòng)控制法可以有效地消除風(fēng)機(jī)在小流量條件下的不穩(wěn)定問題[1-3]。不同葉頂間隙條件下葉型和圓弧斜流葉輪的間隙流動(dòng)，表明葉輪葉頂間隙形成的泄漏流對(duì)葉輪的性能和出口流場(chǎng)有決定性的影響[4]。風(fēng)機(jī)的研究方向眾多，特別是對(duì)葉片的研究已取得一些成果，但目前對(duì)葉片彎折角研究尚屬欠缺，本文對(duì)高速斜流風(fēng)機(jī)葉片不同彎折角結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，通過CFD計(jì)算和試驗(yàn)手段證明葉片的不同彎折角結(jié)構(gòu)能有效地改善斜流風(fēng)機(jī)尾部流場(chǎng)的渦結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)機(jī)整體性能。

1 流體域提取和網(wǎng)格劃分

1.1 流體域提取

本文為保證流體在流道內(nèi)的壓力能夠充分展現(xiàn)，并確保其計(jì)算的準(zhǔn)確性，在葉輪進(jìn)出口的兩側(cè)分別延長(zhǎng)進(jìn)氣和排氣出口。風(fēng)機(jī)葉輪外徑330 mm，經(jīng)多次數(shù)值模擬計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)口延長(zhǎng)段軸向長(zhǎng)度取風(fēng)機(jī)葉輪外徑的3 倍為990 mm，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出口延長(zhǎng)段軸向長(zhǎng)度取風(fēng)機(jī)水力直徑的4倍為1 320 mm。

風(fēng)機(jī)葉輪流體域的提取采用Ansys Workbench中的Geometry模塊，對(duì)葉輪進(jìn)出口的interface面進(jìn)行人為修補(bǔ)，以保證流體域的完整性，包括后續(xù)的導(dǎo)葉、擴(kuò)壓器、支架的流體域處理，均采用相同方法。本文設(shè)定葉輪進(jìn)口截面輪轂的中心位置為計(jì)算域的坐標(biāo)原點(diǎn)位置，以Y軸為計(jì)算域的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸。斜流風(fēng)機(jī)整體流體域見圖1。

圖1 斜流風(fēng)機(jī)整體流體域

1.2 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，能否合理劃分網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確性而言是至關(guān)重要的，尤其是對(duì)于較復(fù)雜的模型，絕大多數(shù)工作都集中在網(wǎng)格的劃分上[5-7]。本文中的斜流風(fēng)機(jī)計(jì)算域主要由3個(gè)部分組成：進(jìn)口延長(zhǎng)區(qū)、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)和出口延長(zhǎng)區(qū)。劃分網(wǎng)格時(shí)，為更好地捕捉不同計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)流體域進(jìn)口延長(zhǎng)段和出口延長(zhǎng)段都采用正交性較好的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[8]。圖2為風(fēng)機(jī)出口延長(zhǎng)段結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 出口延長(zhǎng)段結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格示意圖

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量沒有固定的規(guī)則，除了每個(gè)單元的幾何信息和節(jié)點(diǎn)必須存儲(chǔ)在外部以外，與該單元相臨的單元的編號(hào)也必須作為關(guān)聯(lián)信息存儲(chǔ)起來，這大大增加了計(jì)算資源，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格常用的計(jì)算方法有前沿推進(jìn)法和B-W法等[9-11]。由于葉片前緣和尾緣幾何型線曲率大，對(duì)葉輪葉片網(wǎng)格的劃分需設(shè)置更多結(jié)點(diǎn)細(xì)化網(wǎng)格，從而降低網(wǎng)格的扭曲度，以便更好地捕捉葉片壁面附近的流動(dòng)狀態(tài)，保證網(wǎng)格質(zhì)量。除此以外，風(fēng)機(jī)集流器、葉片葉頂間隙、非常規(guī)葉型、散熱筋和后支架等結(jié)構(gòu)的變化率也都較為顯著；同時(shí)，本文還在機(jī)殼處做了特殊的機(jī)匣處理，這些都將對(duì)生成的網(wǎng)格質(zhì)量提出更高要求。本文對(duì)動(dòng)葉、導(dǎo)葉、擴(kuò)壓器、電機(jī)端蓋和后支架部分也進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，圖3和圖4分別為葉片、擴(kuò)壓器散熱肋片和后支架網(wǎng)格加密示意圖。

圖3 葉片局部網(wǎng)格劃分示意

圖4 擴(kuò)壓器和后支架局部網(wǎng)格加密示意圖

1.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算前的一項(xiàng)重要工作，快速準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果往往是建立在合理的網(wǎng)格數(shù)目基礎(chǔ)上的。網(wǎng)格數(shù)量偏少時(shí)，捕獲信息量往往較少，難以精確描述流體在內(nèi)部的真實(shí)流動(dòng)情況，會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏離準(zhǔn)確值。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定數(shù)值之后，網(wǎng)格數(shù)量過大對(duì)提高計(jì)算精度影響甚微，徒增計(jì)算時(shí)間和資源。因此，在探究風(fēng)機(jī)和內(nèi)部流場(chǎng)特性之前，首先要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。由圖5可知：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在500萬(wàn)左右時(shí)，壓力和效率分別達(dá)到3 040 Pa和76.8%，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果不再發(fā)生明顯波動(dòng)；計(jì)算結(jié)果和計(jì)算資源之間達(dá)到最理想效果，此時(shí)認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到最佳效果。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，需對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)的搭建依據(jù)國(guó)標(biāo)《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)GB/T 1236—2017》，選擇試驗(yàn)臺(tái)裝置類型為B型[12]，出口段采用錐形節(jié)流裝置。靜壓測(cè)量壓力變送器量程為0 Pa～5 000 Pa，測(cè)量噴嘴前后壓差變送器量程為0 Pa～5 000 Pa，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置為激光測(cè)速儀，其余測(cè)量裝置包括溫濕度傳感器、噪聲儀和控制器等，試驗(yàn)裝置見圖6。

圖6 B 型裝置示意圖

在不同工況下，分別對(duì)斜流風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，將試驗(yàn)得到的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，圖7為斜流風(fēng)機(jī)風(fēng)洞性能試驗(yàn)所得流量-壓力性能曲線和數(shù)值模擬計(jì)算所得性能曲線的對(duì)比圖。

圖7 數(shù)值模擬驗(yàn)證

由圖7可知，風(fēng)扇全壓-流量曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)總體趨勢(shì)吻合。隨著流量逐漸增大，模擬全壓與試驗(yàn)壓力之差也逐漸增大，最大誤差控制在5%以內(nèi)。由此可以證明數(shù)值計(jì)算中所設(shè)置邊界條件的正確性，且流場(chǎng)分析具有一定的可靠性。

2 葉片不同彎折角的數(shù)值模擬研究

影響葉片性能的因素眾多，而風(fēng)機(jī)葉片的研究對(duì)提高整機(jī)性能具有深遠(yuǎn)意義，特別是彎掠葉片在氣動(dòng)性能上的優(yōu)勢(shì)，也為提高航天飛機(jī)動(dòng)力螺旋槳和壓氣機(jī)效率提供了可能。在壓氣機(jī)中，軸向擴(kuò)壓器的葉片彎折角達(dá)70°，較大的彎折角是為了把氣流扭為軸向。方堪羨等[13]對(duì)尾緣彎折角對(duì)寬攻角范圍渦輪葉片氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究表明，尾緣彎折角變化影響渦輪葉柵表面靜壓系數(shù)分布，當(dāng)尾緣彎折角增大時(shí)，吸力面最低靜壓略有降低，載荷后移。第3節(jié)主要對(duì)高速斜流風(fēng)機(jī)葉片的不同彎折角進(jìn)行對(duì)比研究，為風(fēng)機(jī)葉片的優(yōu)化方向提供一定參考。

2.1 彎折角定義及模型建立

風(fēng)機(jī)葉片的葉型參數(shù)是風(fēng)扇設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)和重要參考標(biāo)準(zhǔn)，葉型參數(shù)示意圖及部分定義見圖8和表1。

表1 名稱解釋說明

圖8 葉型參數(shù)

為研究不同彎折角對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，保證其他參數(shù)不變的情況下，以10°為間隔跨度，單獨(dú)對(duì)彎折角為8°、18°、28°、38°和48°的風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究，圖9為部分彎折角對(duì)比示意圖。

圖9 部分彎折角對(duì)比示意圖

2.2 不同彎折角對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響分析

圖10中，在Q＜3 000 m3/h小流量工況下，不同彎折角對(duì)各斜流風(fēng)機(jī)全壓數(shù)值相差不大，曲線走勢(shì)基本相同；但彎折角在48°時(shí)全壓最小，曲線數(shù)值也略低于其他4組。由此表明：在小流量區(qū)域范圍內(nèi)，彎折角對(duì)全壓影響不大；隨著流量增大，在3 000 m3/h＜Q＜4 500 m3/h時(shí)，彎折角減小，風(fēng)機(jī)壓力曲線明顯上升，增壓作用明顯。彎折角減小至8°時(shí)，壓力曲線雖有所降低，但仍高于其他風(fēng)機(jī)；在4 500 m3/h附近時(shí)，彎折角為8°和18°時(shí)的風(fēng)機(jī)全壓達(dá)到最大值；Q＞4 500 m3/h時(shí)，彎折角為8°和18°時(shí)的風(fēng)機(jī)壓力曲線急劇下降，其他3組風(fēng)機(jī)曲線開始上升；當(dāng)流量在設(shè)計(jì)點(diǎn)5 250 m3/h時(shí)，壓力達(dá)到峰值，且隨著彎折角增大，最高點(diǎn)持續(xù)升高，這表明彎折角的增大有利于增大風(fēng)機(jī)壓力。當(dāng)流量大于6 500 m3/h時(shí)，彎折角為38°和48°時(shí)的風(fēng)機(jī)壓力開始低于彎折角28°的風(fēng)機(jī)，性能曲線基本重合。從整體曲線走勢(shì)來看，彎折角增大，壓力峰值點(diǎn)右移，最大差值相差490 Pa。

圖10 不同彎折角風(fēng)機(jī)流量-全壓曲線

綜上可知，在小流量范圍內(nèi)，較小彎折角有利于壓力提升；當(dāng)流量增大時(shí)，壓力峰值點(diǎn)右移，且隨著彎折角增大，壓力持續(xù)升高。

圖11中，流量小于3 000 m3/h時(shí)，效率曲線基本重合；3 000 m3/h＜Q＜5 250 m3/h時(shí)，彎折角18°的風(fēng)機(jī)效率始終最高，并隨著彎折角增大，效率持續(xù)降低；當(dāng)流量Q＞5 250 m3/h時(shí)，效率隨流量單調(diào)遞減，此時(shí)彎折角28°的風(fēng)機(jī)效率最高。由此表明：從最佳效率流量點(diǎn)到大流量范圍區(qū)間內(nèi)，偏離彎折角28°時(shí)，無論彎折角增大還是減小，均不能提高風(fēng)機(jī)效率。

圖11 不同彎折角風(fēng)機(jī)流量-效率曲線

2.3 內(nèi)部流場(chǎng)分析

高速斜流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜。為方便對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行流場(chǎng)分析，在三維笛卡爾坐標(biāo)系下，選取額定轉(zhuǎn)速5 800 r/min和進(jìn)口流量1.75 kg/s的工況，對(duì)不同彎折角葉片表面壓力進(jìn)行分析，見圖12。

圖12 不同彎折角風(fēng)機(jī)葉片壓力分布圖

由圖12可看出，在壓力面上，從葉頂?shù)饺~根處，徑向方向均存在不同程度的壓降，從葉片前緣到尾緣處壓力逐漸升高，這一現(xiàn)象將葉片分為2個(gè)區(qū)域：1）前緣部分的低壓區(qū)；2）50%葉高的尾緣高壓區(qū)，該區(qū)域的面積大小反應(yīng)葉片的做功能力和風(fēng)機(jī)通流能力。

彎折角從8°～28°變化的過程中，隨著彎折角不斷增大，壓力面上高壓區(qū)的面積逐步擴(kuò)大。彎折角在28°時(shí)，高壓區(qū)面積已擴(kuò)展到50%葉高附近，這表明彎折角的增大有利于壓力面壓力的提高；彎折角繼續(xù)增大，38°時(shí)，壓力面上壓力開始略有減?。坏?8°時(shí)，壓力又明顯開始升高，表現(xiàn)出不規(guī)律特性。在最佳工況點(diǎn)時(shí)，5組風(fēng)機(jī)全壓最大差值為1 050 Pa，效率相差3.8%，結(jié)果見表2和圖13。彎折角為8°時(shí)，風(fēng)機(jī)壓力最低為2 260 Pa，彎折角較小，風(fēng)機(jī)葉型的特性沒有得到充分利用，導(dǎo)致壓力不高；隨著彎折角的增大，壓力明顯升高，說明彎折角過小不利于葉片載荷的形成。當(dāng)角度達(dá)到28°時(shí)，壓力為3 040 Pa，但均低于除彎折角為8°以外的其他3個(gè)風(fēng)機(jī)全壓，這表明效率最高的彎折角所對(duì)應(yīng)的壓力并不是最佳點(diǎn)。從效率上來看，最高效率點(diǎn)并未出現(xiàn)在全壓最高的48°彎折角上，彎折角不斷增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增大，這是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率不高的根本原因。

圖13 不同彎折角全壓和效率圖

表2 不同彎折角全壓和效率數(shù)值

高速斜流風(fēng)機(jī)常出現(xiàn)邊界層分離和回流現(xiàn)象，特別是在葉頂和角區(qū)附近，常伴隨著巨大的能量損失。由于斜流風(fēng)機(jī)的輪轂特殊結(jié)構(gòu)，從進(jìn)氣口到出氣口的過程中，流道面積收縮，主流速度逐漸增大，這一特性通常又加劇了二次流和分離現(xiàn)象的產(chǎn)生。氣流產(chǎn)生分離的原因在于：開始時(shí)，邊界層的內(nèi)部壓力等于邊界層外主流中的壓力；主流中攜帶的巨大的能量傳遞給邊界層，邊界層內(nèi)流體克服機(jī)匣和外部風(fēng)筒的摩擦力從而不受影響繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)邊界層流體繼續(xù)流動(dòng)；在斜流風(fēng)機(jī)中，風(fēng)機(jī)管道通流部分的流動(dòng)具有擴(kuò)壓性，經(jīng)過葉片并做功后，主流沿著流道方向壓力是逐漸增大的過程，而速度則不斷下降；由于克服摩擦導(dǎo)致主流部分能量不斷減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)，主流不能傳遞給邊界層足夠的能量使其克服摩擦力繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，分離便開始產(chǎn)生，并隨著流動(dòng)分離程度逐漸增大。在具有分離和回流的情況下，分離損失占據(jù)主導(dǎo)地位，摩擦損失成為次要因素。因此，要消除回流和能量的損失，增大主流通流能力，減小擴(kuò)壓度并且使速度下降的速率進(jìn)一步降低。

彎折角的變化將在在相鄰兩葉片形成的單流道中改變通流面積的變化，見表3。當(dāng)彎折角增大時(shí)，流道截面積也相應(yīng)開始增大，進(jìn)入流道內(nèi)的流體速度則會(huì)減小；通流面積越大，流體速度下降率則會(huì)越大，同時(shí)導(dǎo)致壓升也相應(yīng)增大。反映到各風(fēng)機(jī)具體的全壓數(shù)值上，也說明了這一點(diǎn)，一定程度彎折角的增大有利于風(fēng)機(jī)全壓的提高，且流動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。彎折角過小會(huì)使流道截面積減小，導(dǎo)致壓升緩慢；當(dāng)彎折角減小到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致全壓下降，同時(shí)使得流體極易發(fā)生分離。從壓力面和吸力面上來看，彎折角的變化應(yīng)盡量滿足抑制吸力面回流的產(chǎn)生，降低擴(kuò)壓度，減小分離區(qū)和渦系的靜壓升幅度，減少能量損失。

表3 各風(fēng)機(jī)單流道幾何參數(shù)

風(fēng)機(jī)葉輪和導(dǎo)葉形成的級(jí)是由無數(shù)半徑不同的基元級(jí)所構(gòu)成，沿不同高度基元級(jí)的流動(dòng)情況各不相同，氣流旋繞隨著葉高半徑變化時(shí)，其氣動(dòng)性存在差異，但在半徑相同時(shí)，默認(rèn)流動(dòng)條件是相同的。葉片從葉根到葉頂，做功能力逐漸增大，高壓區(qū)主要在葉片中上部，選取此區(qū)域作為研究對(duì)象能反映出葉片實(shí)際做功能力。

圖14是70%葉高葉片載荷分布圖，在前緣處壓力面和吸力面極值點(diǎn)的壓差最大，通常這個(gè)范圍很小，對(duì)整體葉片載荷所起作用有限。當(dāng)彎折角為8°時(shí)，順著氣流方向的載荷主要集中在葉片弦長(zhǎng)60%處，但壓力面的壓力普遍較低，且范圍較小，吸力面負(fù)壓數(shù)值也較高，兩者壓差并不大。葉片彎折角較小時(shí)，葉片表現(xiàn)出來的幾何特性是趨近直葉片，流體經(jīng)過葉片時(shí)，形成的附面層效應(yīng)明顯，摩擦損失和尾跡渦流損失較大。由于壓力面與吸力面之間的壓力差較小，葉片端面存在邊界層，壁面附近氣流的壓力與主氣流的壓力相同，速度接近于0，氣流的轉(zhuǎn)向能力減弱。

圖14 70%葉高葉片載荷

彎折角為18°時(shí)，曲線所包含范圍增大至80%，壓力面和吸力面的差值也明顯增大，全壓比彎折角為8°時(shí)的增大36.7%，這說明以葉片彎折角越靠近前緣，越不利于壓升的提高，彎折角28°時(shí)，范圍雖減小，但壓力面和吸力面差值的增大成為壓升的主要來源。對(duì)于彎折角38°和48°的風(fēng)機(jī)，兩葉片載荷表現(xiàn)相似，但48°彎折角表現(xiàn)出來的全壓數(shù)值最高，這與數(shù)值模擬的結(jié)果也一致。

70%葉高葉片載荷研究表明：在設(shè)計(jì)值28°時(shí)，單從壓力上來看，彎折角并沒有達(dá)到最理想效果；增大彎折角至48°時(shí)，壓力比設(shè)計(jì)值增大8.9%，但效率反而降低3.4%。很顯然，這兩者存在此消彼長(zhǎng)制約關(guān)系。綜上，從性能曲線和內(nèi)部流場(chǎng)來看，28°彎折角為最佳數(shù)值。

3 結(jié)論

針對(duì)8°、18°、28°、38°、48° 5種不同葉型彎折角進(jìn)行的研究表明：彎折角增大，最高效率點(diǎn)向大流量工況偏移；當(dāng)彎折角超過一定值后，流道擴(kuò)壓度過大，小流量工況流動(dòng)分離明顯，壓力迅速下降，風(fēng)機(jī)高效區(qū)范圍變窄。

由此可見：彎折角變化對(duì)效率影響不大，但彎折角變小則壓力降低。內(nèi)部流場(chǎng)分析表明：彎折角過小將不利于葉片加載，彎折角過大則有利于高效工況區(qū)間的拓寬。