葉頂間隙非均勻對大型軸流風機性能的影響

成鎧,陳云瑞,孟凡杰,李景銀

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

大型民用軸流風機使用范圍極其廣泛。為了減重和降低成本,大型民用軸流風機機殼剛度偏低,經(jīng)常導致較明顯的機殼變形,造成葉頂間隙沿周向的不均勻分布,影響風機的性能和流場變化。

葉頂間隙是影響軸流風機氣動性能十分關鍵的因素,國內外學者已對均勻分布的葉頂間隙開展了大量的研究。Freeman等[1-2]研究了葉頂間隙尺寸對軸流壓氣機性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著葉頂間隙的增加,壓氣機性能顯著降低。

隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展和試驗測試技術的進步,現(xiàn)在的研究進一步著重于葉頂間隙與葉頂泄漏渦的發(fā)展之間的聯(lián)系。祁明旭等[3]通過分析不同間隙情況下的間隙流動發(fā)現(xiàn),隨著動葉葉頂間隙的增加,間隙渦的產生位置提前,強度增大,損失增大;此外,動葉頂部的高損失區(qū)域位置和范圍發(fā)生變化,通道渦被破壞,高損失區(qū)向壓力面遷移,并遠離端壁。Moghadam等[4-5]通過分析葉頂間隙大小對葉頂泄漏流的影響,指出隨著葉頂間隙的增加,葉頂泄漏渦的尺度和強度均增大,渦核向葉根位置移動,增強了對主流的堵塞。吳艷輝等[6]通過分析3種間隙的泄漏流特點,發(fā)現(xiàn)泄漏渦在近失速工況發(fā)生破碎,造成泄漏渦體積突然膨脹,對來流阻塞效應增大,大間隙時最先發(fā)生泄漏渦破碎。高杰等[7]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),間隙對泄漏渦破碎位置的影響比較明顯,摻混損失主要發(fā)生在泄漏渦破碎之后。Nho等[8-10]的研究發(fā)現(xiàn),隨著葉尖間隙的增加,葉尖泄漏渦流變得更加強烈。此外,隨著葉頂間隙的增加,葉頂泄漏渦流的位置從葉片吸力側表面向鄰近葉片的壓力側移動。陸華偉等[11]通過對葉柵試驗測試發(fā)現(xiàn),在固定馬赫數(shù)和沖角時,隨著葉頂間隙的增加,近端壁面層低能流體的聚集和發(fā)展受到影響,葉柵損失呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。You等[12]采用大渦模擬研究了葉頂間隙對渦輪機的葉頂泄漏流動的影響,發(fā)現(xiàn)隨葉頂間隙的減小,泄漏流中的旋渦和湍動能的強度逐漸降低。Gamil等[13]通過對工業(yè)風機的數(shù)值模擬,展示了葉尖泄漏流在不同流速、葉尖間隙和安裝角下的泄漏流結構分布。Khalid等[14]已經(jīng)證明,隨著葉片安裝角的增加,葉尖泄漏渦流的強度降低,并向轉子出口移動。Han等[15]使用DMD、POD對混流泵葉尖泄漏渦的流動結構進行分解和重構,發(fā)現(xiàn)一次葉尖渦(PLTV)的演變頻率為8.4倍葉輪旋轉頻率,且PLTV主要分為振蕩的PLTV-A和脫落的PLTV-B。Han等[16]進一步通過提高混流泵轉速,發(fā)現(xiàn)葉尖泄漏流量和軸向動量均有所增加,并提出葉尖泄漏渦分離角預測模型。

研究人員也研究了安裝誤差導致葉頂間隙不均勻的影響。Storace等[17-18]開展渦輪轉子的偏心引起的葉頂間隙不均勻的研究,發(fā)現(xiàn)穿過不同間隙的葉片載荷不同,從而引起渦流誘導力。Graf等[19]通過試驗和理論分析,研究了葉尖間隙周向不均勻對軸流壓氣機性能和穩(wěn)定性的影響。結果表明,間隙不對稱使壓縮機失速裕度減小,非均勻間隙對峰值效率的影響小于對峰值壓力的影響。Chen等[20]通過數(shù)值模擬對Rotor 67的周向非均勻間隙下的外特性進行了研究,結果表明風機性能主要受到間隙不均勻性和平均間隙水平的影響。陳秀穎等[21]通過研究3種周向間隙布局對多排轉子的影響,發(fā)現(xiàn)后排轉子葉尖流場非對稱性大,且非均勻間隙布局與葉片氣動力分布有對應關系。Ma等[22]通過比較3種在葉輪軸向方向上的葉頂間隙變化對Rotor37性能的影響,發(fā)現(xiàn)最佳不均勻間隙的軸向分布,可以削弱葉尖泄漏渦,吹掃邊界層中的低能流體,改善壓氣機的性能。葉學民等[23]對OB-84風機進行研究,發(fā)現(xiàn)軸向漸縮型間隙可減少葉頂泄漏,提高風機性能。姬田園等[24]發(fā)現(xiàn)葉片加工誤差引起的不確定性間隙會對葉頂泄漏流產生影響,并降低葉片穩(wěn)定裕度。Hao等[25]對由于一個葉片高度變化,導致葉頂間隙非對稱,對“泵-水輪機”型葉輪的瞬態(tài)空化流動進行研究,發(fā)現(xiàn)這會惡化空化性能,同時影響徑向力的大小和方向。

目前對于均勻葉頂間隙的研究較多,對于非均勻間隙的研究主要集中在葉頂切割的軸向非均勻間隙的情況;以及一些具有周向非均勻間隙的壓氣機等高壓高速設備。對于量大面廣的大型民用低壓軸流風機而言,機殼尺寸大和機殼薄,導致機殼剛度明顯不足,因此必須預留較大的葉頂間隙,同時,由機殼變形導致的葉頂間隙沿周向的不均勻性變化顯著,但目前對此類風機的不均勻葉頂間隙影響的研究很少。

本文針對某大型家畜養(yǎng)殖場用大型軸流通風機的非均勻葉頂間隙,開展了定常、非定常數(shù)值模擬。對該風機的葉頂間隙,采用非均勻度和平均間隙兩個因素控制周向非均勻度,研究非均勻間隙對風機外特性、靜壓分布、葉頂泄漏流等方面的影響,旨在為低壓軸流風機的加工制造精度要求、高效運行等方面提供一定的指導。

1 研究方法

1.1 研究對象

本文中葉輪直徑D為1 445 mm,設計葉頂尖隙為10 mm。風機在使用過程中機殼出現(xiàn)橢圓化,偏心化等問題都會造成軸流風機周向間隙的不均勻,周向非均勻葉頂間隙示意圖如圖1所示。對于均勻間隙,可由機殼與葉輪的半徑之差表示間隙的大小。橢圓形等非均勻機殼,引入平均間隙Ca表示其葉頂間隙水平,即

(1)

式中:S為機殼內流道截面積;L為機殼周長。

為了更好地研究此類問題,引入一個表示非均勻度的因子λ來量化機殼的非均勻度,即

(2)

式中:a、b分別為最小、最大間隙處的半徑;r為葉輪半徑。

λ的取值在0～1之間,0代表均勻間隙,即機殼為正圓形,1代表極不均勻間隙,可表示為短半軸等于葉輪半徑的橢圓形。本文選取0、0.5、0.8這3種非均勻度的間隙進行研究。

1.2 計算模型與網(wǎng)格

為了準確模擬葉頂周向非均勻間隙,將計算模型分為內、外兩個區(qū)域,內部區(qū)域為葉輪旋轉域,外部區(qū)域為非均勻間隙區(qū)域。為了兩個計算域更好地傳遞數(shù)據(jù),在內部葉輪旋轉域中帶有一部分均勻間隙,區(qū)域分區(qū)圖如圖2所示。

葉輪網(wǎng)格在Turbo Grid軟件中生成,葉片周圍采用O型剖分,外流域網(wǎng)格在Ansys ICEM軟件中生成,壁面Y+保持在30左右。內外區(qū)域均劃分為結構化網(wǎng)格,在葉頂部分共有30層網(wǎng)格,其中7層在內部旋轉域,23層在外部區(qū)域,如圖3所示。

為了驗證網(wǎng)格的無關性,在相同邊界條件設置下,共選擇了7組網(wǎng)格數(shù)進行數(shù)值模擬并比較其總壓效率,結果如圖4所示。綜合計算精度與計算速度,最終選擇總網(wǎng)格數(shù)450萬,其中內部網(wǎng)格數(shù)260萬,外部網(wǎng)格數(shù)190萬。

1.3 數(shù)值計算方法試驗驗證

風機性能試驗方法按照GB/T1236—2017《工業(yè)通風機用標準化風道性能試驗》,采用C型試驗裝置。流量用多噴嘴流量計測得,功率用電測法測得。流量與壓力試驗數(shù)據(jù)均通過自動采集系統(tǒng)得到。試驗裝置結構如圖5所示。

本文使用Ansys CFX進行計算,采用多重參考系方法(MRF)用于葉輪與機殼的動靜交界面處,其中葉輪流域為旋轉坐標系求解,外殼流域用靜止坐標系求解。采用SSTk-ω湍流模型、Scalable壁面函數(shù),壓力與速度耦合采用SIMPLE算法,空間離散二階迎風格式,進口采用速度邊界條件,出口采用壓力邊界條件。由于機殼與內旋轉域的相對旋轉,對于非定常計算,數(shù)值格式采用高分辨率平流空間精度和二階后向歐拉離散化的時間精度,瞬態(tài)模擬的時間步長為2.3×10-4s。定子-轉子界面處的邊界設置為瞬態(tài)轉子-定子界面,以便正確模擬從靜止框架到旋轉框架的滑動界面。

基于上述計算方法和設置,對平均間隙為10 mm的模型進行數(shù)值計算,并將計算結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比,如圖6所示。計算模型的壓力、效率隨流量的變化與試驗值基本一致,全壓的最大誤差為3.85%,效率的最大誤差為2.04%,所以認為此風機性能模擬的模型方法可靠。

2 穩(wěn)態(tài)結果分析

為了研究間隙非均勻度和平均間隙水平對風機外特性的影響,開展固定平均間隙,改變非均勻度,固定非均勻度,改變平均間隙兩種情況進行研究,具體情況如表1、表2所示。

表1 平均間隙相同但非均勻度不同的間隙情況

表2 非均勻度相同但平均間隙不同的情況

定常計算的葉片周向位置如圖7所示,圖中φ1表示葉頂間隙最小位置,φ2表示小間隙旋入大間隙位置,φ3表示大間隙旋入小間隙位置。

2.1 非均勻度的影響

表1中方案1、方案2、方案3的效率-流量曲線和靜壓-流量曲線如圖8所示。從圖8中可以看出,平均間隙大小不變,隨著非均勻度的增加,效率明顯下降,其中效率下降最大值約為2.30%,靜壓略微下降,下降最大值約為1.91 Pa?？芍谙嗤骄g隙下,非均勻度對效率的影響大于對壓力的影響。

體積流量為50 000 m3/h時,3個葉片的葉頂靜壓分布圖如圖9所示。從圖9可以看出,隨著不均勻度的增加,葉頂截面的靜壓分布沿周向位置的變化更加顯著。對于φ1位置,在平均間隙一樣的前提下,不均勻度的增加,意味最小間隙φ1處的間隙減小,雖然方案3中φ1處間隙最小,受泄漏流的影響,該葉頂間隙處的葉頂?shù)蛪簠^(qū)反而最小,而對于其他兩個葉片位置,葉片在前緣和后緣的徑向間隙不同,且隨著不均勻度增加,徑向間隙的差別增大;在φ2位置處,受泄漏流的影響,低壓區(qū)的分布區(qū)域在軸向上(接近垂直葉片方向)隨非均勻度的增大有擴大的趨勢;在φ3位置處,泄漏的影響在周向上有明顯擴大的趨勢。

方案3在φ2位置處的葉頂泄漏流線圖和Q準則下(Q=8×105s-1)的渦結構如圖10所示,一般的葉頂間隙泄漏流動會形成漩渦,并形成渦核流動。由圖10可知:葉頂間隙泄漏可分為3個部分,靠近葉尖處形成兩股帶渦核流動的泄漏流,其中泄漏流A渦延展距離明顯大于泄漏流B;此外,在靠近機殼壁面還形成了一個沒有渦核的附加泄漏流動,該泄漏沿軸向發(fā)展一段距離后,再與主泄漏流一起沿周向流動。

2.2 不同平均間隙的影響

非均勻度為0.5時3種平均間隙的性能曲線圖如圖11所示,可知隨著平均間隙的增加,效率和靜壓都有明顯的下降,其中效率在小流量下降最大,達2.97%,靜壓接近等量下降。與非均勻度增大的情況相比,平均間隙的增大對效率的影響同樣比對壓力的影響顯著,但是平均徑向間隙的增大對壓力的影響程度比非均勻度增加更顯著。

方案4、5、6的葉頂靜壓分布如圖12所示,可知隨著平均間隙的增大,低壓區(qū)在3個葉片位置上,都隨間隙的增大而在軸向上有減小的趨勢,在周向有所增加。這與討論均勻葉頂間隙的文獻[7]中所述結論一致。由于葉頂間隙的增加使泄漏在周向的擴大影響了葉片的做功,從而導致了整體性能下降。

2.3 機殼周長不變條件下的變形對風機性能的影響

實際風機的機殼變形往往導致間隙的不均勻度和平均值同時變化,為此進行了在固定周長下兩個因素的變化情況。在周長一定的情況下,隨著非均勻度的增大,葉頂間隙的平均徑向間隙反而有所減小。表3所示為固定周長L=4 461.1 mm情況下,不同均勻度和相應的平均徑向間隙的3種情況。

表3 具有相同周長的機殼不同變形情況的間隙

在表3給定周長情況下,由于機殼變形,導致風機性能曲線的變化如圖13所示。在定周長情況下,非均勻度的增加導致了平均間隙的減小。由圖13可以看出,在兩種間隙參數(shù)相反變化的共同作用下,效率-流量曲線未發(fā)生較大的變化,而在靜壓-流量曲線中,壓力有一定的上升。這說明在保證機殼設計間隙的條件下,機殼的輕微變形,對風機的性能影響不顯著。

3 瞬態(tài)結果分析

以方案3模型為例,進行非定常模擬,研究非均勻間隙下軸流風機的非定常特性和非均勻間隙對葉頂泄漏的影響,非定常計算的風機模型如圖14所示。對一特定葉片從0°轉到180°的流場特性進行分析,即可得到整周不同間隙的影響,其中葉片旋轉到0°、180°為兩個最小間隙,90°為最大間隙所在位置。

周向角為0°～180°的葉頂靜壓分布與泄漏流量如圖15所示,圖中紅線標示了葉背后面低壓區(qū)的擺動方向。葉片從0°位置旋轉至180°位置,葉頂間隙先增大后減小,由葉頂泄漏所引起的低壓區(qū)也有先增大后減小的趨勢。在0°～120°區(qū)間內,低壓區(qū)向后移動,如圖15中黑線連線所示,不同相位角時,吸力面上具有同樣的靜壓值的起始位置不斷后移;在120°～180°區(qū)間內,有相反的變化。由圖15可以看出,葉片由0°旋轉至180°過程中,泄漏引起的低壓區(qū)位置在120°時最為靠后,在這一過程中低壓區(qū)的擺動在90°偏離最大。由圖15(b)可以發(fā)現(xiàn),在此過程中,0°、180°兩個小間隙處的泄漏量反而最大,而介于其中的間隙泄漏量逐漸減小,并在120°時達到最小值。

葉片在不同周向角度時的S3流面流線及靜壓云圖如圖16所示,可以看出:在30°～150°相位處,葉片受到前向葉片泄漏渦的影響,葉頂?shù)男孤┝饕徊糠直痪砦?造成了泄漏流量的減小;而在0°～180°相位處,泄漏流并未受到影響,故而泄漏流量更大,泄漏渦形狀也更傳統(tǒng)。

圖17展示了葉頂基元環(huán)形葉片的流場平面展開圖,以葉片沿周向前進30°顯示了不同時刻的葉片整周靜壓流場,圖中標出了最大和最小間隙所在位置。當葉頂產生的泄漏流穿過逐漸減小的間隙時,泄漏渦流迅速耗散,對相鄰后向葉片的做功影響減小;反之,當葉頂產生的泄漏流穿過逐漸增大的間隙時,泄漏渦流在一段距離內耗散不明顯,有所增強,對相鄰后向葉片的做功影響增大。

4 結 論

文本通過定常和非定常數(shù)值模擬,對低壓軸流風機周向非均勻葉頂間隙對性能和流場的影響展開研究,得到如下結論。

(1)隨著周向非均勻間隙的平均間隙和非均勻度這兩個關鍵因素的增加,均會造成風機效率的明顯下降,以及靜壓的下降,其中平均間隙的影響更為顯著。

(2)在非均勻葉頂?shù)拇箝g隙范圍內,葉頂泄漏可分為兩部分,葉頂側具有渦核的主泄漏部分沿周向發(fā)展,機殼側無渦核附加泄漏先沿軸向發(fā)展一段距離后再沿周向發(fā)展。

(3)在葉頂間隙從小變大再變小的過程中,葉頂?shù)男孤┝亢烷g隙大小不同步,且在最小葉頂間隙時,葉尖泄漏量最大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是,相鄰前向葉片的泄漏流對當前葉片泄漏形成卷吸,導致了泄漏量的變化。

(4)在整周流動中,泄漏流穿過逐漸減小的間隙時,葉頂泄漏對相鄰后向葉片的影響減小;泄漏流穿過逐漸增大的間隙時,葉頂泄漏對相鄰后向葉片的影響增大。