軸流風(fēng)機(jī)氣動性能模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳文樸，蘇 偉，鄭文鵬，陳 寶

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

軸流風(fēng)機(jī)具有優(yōu)良的通風(fēng)換氣特性，其在工業(yè)和生活中應(yīng)用廣泛。由于風(fēng)機(jī)應(yīng)用場景豐富，針對不同工況需要設(shè)計多種不同的風(fēng)機(jī)與對應(yīng)的要求匹配。另外，在工程應(yīng)用中對風(fēng)機(jī)的設(shè)計周期和性能有嚴(yán)格的要求，而風(fēng)機(jī)的設(shè)計需要反復(fù)修改和驗(yàn)證，因此有必要針對軸流風(fēng)機(jī)建立從一維設(shè)計參數(shù)到三維實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完整設(shè)計流程，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪從設(shè)計到生產(chǎn)應(yīng)用的快速過渡。

在軸流風(fēng)機(jī)葉輪的傳統(tǒng)設(shè)計方法中，通常僅從氣動設(shè)計的角度考慮，因此在選定翼型后，為了使風(fēng)機(jī)獲得較高的全壓效率，翼型在最大升阻比附近選擇升力系數(shù)，并根據(jù)升力系數(shù)確定翼型沖角[1-3]。然而，這種方法未考慮到葉輪與電機(jī)是否相互匹配，葉輪通過轉(zhuǎn)動對空氣做功，其轉(zhuǎn)速越快所需要轉(zhuǎn)矩越大，而電機(jī)特性是轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比，如果電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩達(dá)不到葉輪額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩，葉輪將降低轉(zhuǎn)速與電機(jī)形成新的平衡。這也導(dǎo)致應(yīng)用時風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓等指標(biāo)低于設(shè)計需求。

本文提出變沖角分布策略，意為葉片各基元級的翼型采用不同的沖角角度。葉片各級沿徑向以一定幾何規(guī)律分布，但各級對空氣流動的做功能力不同，因此合理地改進(jìn)翼型沖角分布，即能使葉輪滿足氣動要求，同時能夠與電機(jī)性能匹配，以達(dá)到提升風(fēng)機(jī)性能的目的。

1 風(fēng)機(jī)氣動設(shè)計

1.1 風(fēng)機(jī)設(shè)計基礎(chǔ)理論

葉輪的氣動設(shè)計采用正向優(yōu)化設(shè)計方法，基于給定的約束條件，設(shè)計流程如圖 1所示，通過一維設(shè)計獲得葉片各截面幾何參數(shù)，建立葉輪模型后采用CFD模擬其氣動特性。并通過三維打印技術(shù)加工獲得葉輪實(shí)物，結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計是否達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖1 葉輪氣動設(shè)計流程

軸流風(fēng)機(jī)的氣動設(shè)計通常采用二維理想流動理論[3]。風(fēng)機(jī)的設(shè)計參數(shù)根據(jù)其實(shí)際工作要求確定，包括風(fēng)量Q、風(fēng)壓P、葉輪外徑Dt、轉(zhuǎn)速n及空氣密度ρ等。同時根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取輪轂比ν、變環(huán)量系數(shù)δ、效率系數(shù)η及升力系數(shù)Cy等設(shè)計參數(shù)。根據(jù)上述參數(shù)計算獲得葉片的幾何參數(shù)，建立葉片的三維模型。

為便于研究，通常將同一半徑處的環(huán)形葉柵展開視作平面葉柵。任意半徑上葉片基元級的速度三角形如圖 2所示，假定葉輪進(jìn)出口處的氣流均勻分布。

圖2 基元級速度三角形

根據(jù)歐拉透平方程[4]，軸流風(fēng)機(jī)葉輪對空氣的做功能力如下式：

P=ρ(u2c2u-u1c1u)=ρuΔcu

(1)

式中：P為全壓；u為圓周速度；Δcu為空氣流經(jīng)葉片前后產(chǎn)生的扭速。

根據(jù)設(shè)計要求，確定葉輪外徑Dt，則圓周速度：

ut=πDtn/60

(2)

式中：Dt為葉輪外徑；n為轉(zhuǎn)速；ut為葉頂圓周速度。

風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速：

ns=nQ0.5/P0.75

(3)

式中：ns為比轉(zhuǎn)速；Q為風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)輪轂尺寸：

Dh=Dtν

(4)

式中：ν為輪轂比，根據(jù)比轉(zhuǎn)速查表獲得；Dh為葉輪內(nèi)徑。

根據(jù)葉輪尺寸及風(fēng)量，確定軸向速度：

(5)

式中：cz為軸向速度。

平均半徑：

(6)

式中：rm為平均半徑。

平均半徑處扭速：

(7)

式中：Δcum為平均半徑扭速；um為平均半徑處圓周速度；η為風(fēng)機(jī)流動效率。

任意截面扭速分布規(guī)律如下式：

(8)

式中：δ為變環(huán)量系數(shù)；r為任意截面半徑。

(9)

相對氣流角：

(10)

式中：βm為氣流葉片的相對角度。

葉片弦長：

(11)

式中：l為葉片弦長；cy為升力系數(shù)；z為葉片數(shù)，根據(jù)輪轂比查表選定；ω=2ut/Dt為葉片轉(zhuǎn)速。

葉型安裝角：

θ=βm+α

(12)

式中：θ為葉型的安裝角；α為沖角，根據(jù)翼型特性曲線選定。

(2)提高鉆研業(yè)務(wù)的能力。圍繞財產(chǎn)行為稅重點(diǎn)工作和最新改革立法內(nèi)容，通過抓好綜合、專業(yè)相結(jié)合的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，及時更新干部業(yè)務(wù)知識，拓寬干部知識面。通過將理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，不斷提升干部發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題的專業(yè)能力。

1.2 參數(shù)化設(shè)計及建模

根據(jù)設(shè)計需要，風(fēng)機(jī)需滿足：機(jī)殼外形尺寸92 mm×92 mm×25.4 mm，葉輪外徑86.5 mm，輪轂比約0.69，最大風(fēng)量超過53.1 m3/h，最大靜壓超過45 Pa，輸入功率小于11 W，額定轉(zhuǎn)速為2 650 r/min。

由于運(yùn)動過程中葉輪自葉根向葉尖各截面的圓周速度線性增加，所以設(shè)計過程時將葉片沿徑向等分為5個圓周截面，各截面幾何參數(shù)呈一定規(guī)律變化。根據(jù)上文公式，結(jié)合設(shè)計需求，葉片各截面幾何參數(shù)的計算結(jié)果如表1所示，葉輪與空氣的相對速度沿徑向增加，因此兩者的相對氣流角沿徑向減小。

表1 葉片幾何參數(shù)

葉輪1和葉輪2分別采用兩種沖角分布策略，根據(jù)沖角和相對氣流角計算獲得安裝角，具體值如表 2所示。

表2 葉輪沖角及安裝角分布

選用NACA65-010翼型為基準(zhǔn)翼型，翼型的彎度分布由中弧線的形狀決定。本文采用常見的拋物線形式生成翼型中弧線，其方程[4]：

(13)

(14)

(15)

圖3 翼型中弧線示意圖

確定葉片各截面基元級后，通過徑向堆積實(shí)現(xiàn)葉片成型[5]。風(fēng)機(jī)葉輪造型如圖 4所示。

圖4 葉輪三維模型

1.3 氣動仿真

為建立風(fēng)機(jī)流場的三維計算域，實(shí)現(xiàn)氣動仿真，需將風(fēng)機(jī)的工程設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)的數(shù)值模型[6]。軸流風(fēng)機(jī)的氣動數(shù)值模型包括三部分，依次為進(jìn)口段、風(fēng)輪段和出口段，如圖5所示。進(jìn)口段和出口段位于風(fēng)輪段的兩側(cè)，模擬空氣流過風(fēng)機(jī)時空氣在流道中充分發(fā)展的狀態(tài)；而風(fēng)輪段模擬了空氣流過風(fēng)機(jī)的狀態(tài)。由于整個模型為多運(yùn)動參考系模型，其中進(jìn)口段和出口段參考笛卡爾坐標(biāo)系，設(shè)置為靜止域；風(fēng)輪段參考旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域。

圖5 風(fēng)機(jī)數(shù)值模型

不同域之間的網(wǎng)格不直接相連，各求解域之間采用interface交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。由于設(shè)計的風(fēng)機(jī)風(fēng)速較低，因此采用不可壓縮氣體模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力求解器采用SIMPLE算法求解控制方程[7]。模型的邊界條件設(shè)置：入口為壓力進(jìn)口；出口為壓力出口；葉輪壁面為轉(zhuǎn)動無滑移壁面。

仿真獲得風(fēng)輪的氣動性能，葉輪的入口流速如圖 6所示。兩者的趨勢接近，葉輪外圓即葉尖處流速大，內(nèi)圓靠近輪轂處流速小，并且兩者的最大風(fēng)速皆為14.5 m/s。

圖6 葉輪入口流速圖

對比兩個葉輪的風(fēng)量、風(fēng)壓及扭矩，兩者的仿真結(jié)果如表 3所示。葉輪2較葉輪1，在風(fēng)量、風(fēng)壓和扭矩上都有下降，風(fēng)量的下降比例為0.87%，靜壓的下降比例為0.9%，扭矩的下降比例為7.25%，說明采用變沖角設(shè)計策略能在基本不影響風(fēng)量、風(fēng)壓性能的基礎(chǔ)上，顯著降低扭矩，意味著電機(jī)負(fù)載降低。

表3 葉輪仿真氣動特性結(jié)果

2 風(fēng)機(jī)氣動性能測試

2.1 風(fēng)機(jī)氣動性能實(shí)驗(yàn)裝置

風(fēng)機(jī)氣動性能的核心是滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，通過CFD數(shù)值仿真能預(yù)估風(fēng)機(jī)性能，初步預(yù)測該設(shè)計能否滿足技術(shù)要求。但在數(shù)值仿真過程中，為減少計算量，會對數(shù)值模型進(jìn)行一定的簡化，如忽略機(jī)殼倒角及機(jī)殼連接輪轂的筋，這導(dǎo)致仿真計算結(jié)果與風(fēng)機(jī)的實(shí)際情況存在一定的誤差。因此還需要采用風(fēng)機(jī)性能測試裝置對風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，其目的是獲得確實(shí)可靠的風(fēng)機(jī)性能，進(jìn)一步確保風(fēng)機(jī)的氣動性能滿足設(shè)計需求，為后續(xù)葉輪的制造加工提供有力支撐。

風(fēng)機(jī)氣動性能測試裝置是指在實(shí)驗(yàn)條件下為測試風(fēng)機(jī)氣動性能而設(shè)計的一套實(shí)驗(yàn)裝置[8]。由于小型軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量風(fēng)壓相對較低，實(shí)驗(yàn)中風(fēng)機(jī)因無法克服管道阻力而在小流量區(qū)運(yùn)行，無法獲得完整的性能數(shù)據(jù)，所以實(shí)驗(yàn)裝置采用風(fēng)室測試法，并配有輔助風(fēng)機(jī)協(xié)助測試風(fēng)機(jī)克服管道沿程阻力[9]。

根據(jù)GB/T 1236—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)》標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)有四種類型。軸流風(fēng)機(jī)自由進(jìn)氣，管道排氣，且本風(fēng)機(jī)尺寸較小，因此采用B型測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是自由進(jìn)口，管道出口。圖 7為軸流風(fēng)機(jī)B型性能試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)驗(yàn)裝置的風(fēng)管部分包括實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)、輔助風(fēng)機(jī)、整流柵板、靜壓測孔、節(jié)流孔板、輔助接頭、風(fēng)門調(diào)節(jié)器；控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)包括變頻控制器、功率測試儀、光敏轉(zhuǎn)速探頭、壓力變送器、溫濕度傳感器、工控機(jī)和采集主機(jī)[8]。

圖7 軸流風(fēng)機(jī)B型出氣性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過三維打印技術(shù)獲得葉輪的實(shí)物模型，如圖8所示。將葉輪安裝在對應(yīng)電機(jī)上，通過風(fēng)機(jī)氣動性能實(shí)驗(yàn)裝置分別獲得2個葉輪的風(fēng)量、風(fēng)壓等數(shù)據(jù)，如表 4和表5所示。

圖8 葉輪實(shí)物模型

表4 葉輪1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 葉輪2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2個葉輪在相同風(fēng)量下所能產(chǎn)生的靜壓，如圖9所示。葉輪2的靜壓高于葉輪1，說明在相同風(fēng)量下，葉輪2能克服更大阻力。Q-n曲線如圖 10所示。葉輪2的轉(zhuǎn)速高于葉輪1，這是由于葉輪2的扭矩小于葉輪1，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩成反比，因此葉輪2轉(zhuǎn)速上升后與電機(jī)形成新的平衡。η-Q曲線如圖 11所示。葉輪2的效率高于葉輪1，說明本文的優(yōu)化設(shè)計是有效的?？紤]到葉片根部與輪轂連接，轉(zhuǎn)速較低，且流過輪轂的空氣因受粘性剪切力作用，導(dǎo)致流速降低，葉輪的葉根段對空氣的做功能力較低，因此降低該處沖角能減小因流動分離而造成的損失，對整體氣動性能的影響有限，但能降低葉輪扭矩。同時，葉尖處依舊根據(jù)最佳升阻比選定沖角，葉尖處流速快，是葉輪對空氣做功的主要區(qū)域，這樣有助于葉輪在氣動效率高點(diǎn)運(yùn)行。

圖9 風(fēng)機(jī)靜壓與風(fēng)量特性曲線

圖10 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量特性曲線

圖11 風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)量特性曲線

3 結(jié) 語

根據(jù)需要，采用兩種沖角分布策略設(shè)計了風(fēng)機(jī)葉輪，通過對葉輪進(jìn)行氣動仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得以下結(jié)論：

(1)變沖角葉輪能在少量降低風(fēng)量、風(fēng)壓的情況下，較大地降低葉輪在額定轉(zhuǎn)速下所需要的扭矩，扭矩下降比例為7.25%。

(2)葉片根部對空氣做功能力較弱，降低該處沖角角度，能有效調(diào)節(jié)葉輪扭矩，控制葉輪與電機(jī)的匹配關(guān)系。

(3)變沖角葉輪的整體性能優(yōu)于單一沖角葉輪，安裝在電機(jī)后，變沖角葉輪的風(fēng)量、風(fēng)壓及效率均高于單一沖角葉輪。