曲率半徑對(duì)弧形斗式風(fēng)扇軸流及離心特性的影響規(guī)律研究

劉來全，戴 玥，馬 越，薛 超

(1． 廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511455；2． 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

電機(jī)冷卻系統(tǒng)是電機(jī)的重要組成部分，而電機(jī)冷卻風(fēng)扇更是在冷卻系統(tǒng)中起著巨大的作用。風(fēng)扇的葉片葉型對(duì)于冷卻風(fēng)扇的整體性能影響非常重要，相當(dāng)程度上決定了風(fēng)扇的氣動(dòng)性能，從而成為建立研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要對(duì)象。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，必須要求冷卻風(fēng)扇具有更強(qiáng)的散熱能力，因此研究冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能有著重要意義。

風(fēng)扇按其結(jié)構(gòu)大致可分為離心式和軸流式風(fēng)扇。離心式風(fēng)扇風(fēng)壓高，可根據(jù)需要獲得不同的壓力；軸流式風(fēng)扇具有風(fēng)量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、普適性、用途廣泛等特點(diǎn)。無論是軸流還是離心風(fēng)扇，由于其自身結(jié)構(gòu)特性，在電機(jī)上均只存在單一風(fēng)路，導(dǎo)致電機(jī)整體散熱能力差，影響其使用壽命。

有學(xué)者將一種用于水輪機(jī)上的弧形斗式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)應(yīng)用于電機(jī)冷卻系統(tǒng)中。該風(fēng)扇的氣流走向主要可分為兩路，一路為轉(zhuǎn)子與定子中部(表現(xiàn)為軸流特性)，另一路為定子端部(表現(xiàn)為離心特性)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于弧形斗式風(fēng)扇的加裝，兩側(cè)氣流將順著風(fēng)扇軸流方向流進(jìn)轉(zhuǎn)子磁極之間形成的凹槽內(nèi)，接著被甩出凹槽從而達(dá)到冷卻定子鐵心中部的效果；同樣兩側(cè)氣流也會(huì)順著風(fēng)扇離心方向，將氣流沿轉(zhuǎn)子徑向甩出從而達(dá)到冷卻定子鐵心端部的效果。因此，弧形斗式風(fēng)扇很好地解決了目前現(xiàn)有的軸流式與離心式風(fēng)扇單一風(fēng)路的問題。本文基于該弧形斗式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，分別改變風(fēng)扇軸向及徑向流動(dòng)葉片葉型(即軸向與徑向的曲率半徑)，通過ANSYS CFX軟件數(shù)值研究，著重分析曲率半徑對(duì)弧形斗式風(fēng)扇軸流及離心特性的影響規(guī)律，最終達(dá)到提高弧形斗式風(fēng)扇氣動(dòng)性能目的。

1 風(fēng)扇氣動(dòng)性能的計(jì)算方法

1．1 軸流與離心特性

弧形斗式風(fēng)扇氣動(dòng)特性本質(zhì)上是風(fēng)扇本體在軸向(軸流特性)與徑向(離心特性)的綜合表現(xiàn)，其在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的風(fēng)路如圖1所示。

圖1 弧形斗式風(fēng)扇風(fēng)路示意圖

1．2 物理模型及主要參數(shù)

本文就某水輪機(jī)上的弧形斗式風(fēng)扇展開研究。風(fēng)扇軸向剖面及改型方案如圖2(a)、(b)所示，原始風(fēng)扇軸流方向由兩塊直板和圓弧板構(gòu)成。改型風(fēng)扇由一塊直板和圓弧板構(gòu)成，Ra為風(fēng)扇軸向曲率半徑，風(fēng)扇徑向剖面及改型方案如圖3(a)、(b)所示。其中，原始風(fēng)扇離心方向僅由直板構(gòu)成。改型風(fēng)扇由一塊直板和一塊圓弧板構(gòu)成，Rc為風(fēng)扇離心曲率半徑。

圖2 弧形斗式風(fēng)扇軸向葉片葉型

圖3 弧形斗式風(fēng)扇徑向葉片葉型

1．3 計(jì)算域及網(wǎng)格分布

弧形斗式風(fēng)扇布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，進(jìn)口總壓為大氣壓101 325 Pa，進(jìn)口溫度均設(shè)置為55 ℃，轉(zhuǎn)速250 r/min。

使用ANSYS軟件定義模型邊界條件，采用C-block劃分外流域，使用ANSYS CFX軟件設(shè)置邊界條件，入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，方便任意更改質(zhì)量流量；出口邊界條件為壓力出口，壓力為0 Pa；進(jìn)出口管道處設(shè)置監(jiān)測(cè)面用于監(jiān)測(cè)壓升；葉片表面為無滑移壁面。模型內(nèi)部不同網(wǎng)格類型交界處設(shè)置為非一致邊界網(wǎng)格條件，便于信息間的相互傳遞?；谟邢摅w積法對(duì)納維-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)流動(dòng)控制方程進(jìn)行離散，采用雙時(shí)間步法對(duì)雷諾時(shí)均非定常N-S方程求解。用Simplec算法對(duì)速度和壓力進(jìn)行耦合，以加快收斂速度，動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍流離散率采用二階迎風(fēng)格式，以保證計(jì)算精度。

風(fēng)扇網(wǎng)格精細(xì)程度直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，為提高計(jì)算精度，且節(jié)約計(jì)算時(shí)間，模型入口和出口處均采用六面體網(wǎng)格，風(fēng)扇壁面采用邊界層網(wǎng)格。由于風(fēng)扇邊緣處較窄，網(wǎng)格尺寸采用1.5 mm，首層網(wǎng)格高度為0.001 mm，以保證無量綱數(shù)y+≈1。弧形斗式風(fēng)扇軸流及離心特性網(wǎng)格劃分均在ANSYS ICEM中完成，網(wǎng)格數(shù)均為1 100萬。軸流特性網(wǎng)格劃分如圖4所示；離心特性網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4 軸流特性網(wǎng)格劃分

圖5 離心特性網(wǎng)格劃分

1．4 湍流模型及計(jì)算方法

Balduzzi等[1-2]對(duì)比不同湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響，其中SST k-ω湍流模型具有比較靈活的適應(yīng)范圍，且表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。因此本文選用SST k-ω湍流模型進(jìn)行求解。

2 結(jié)果及分析

2．1 曲率半徑對(duì)風(fēng)扇軸流特性的影響

風(fēng)扇氣動(dòng)性能一般可通過流量-全壓曲線、流量-軸功率曲線及流量-全壓效率曲線來表示。對(duì)現(xiàn)有弧形斗式風(fēng)扇單獨(dú)構(gòu)建軸流風(fēng)扇計(jì)算模型，保持其他參數(shù)不變，僅改變風(fēng)扇軸向流動(dòng)的曲率半徑，給定曲率半徑Ra=100 mm、150 mm及200 mm，分析曲率半徑對(duì)風(fēng)扇軸流特性的影響。圖6為不同風(fēng)量工況下原始及改新型弧形斗式風(fēng)扇軸流特性氣動(dòng)參數(shù)變化曲線。

圖6 弧形斗式風(fēng)扇軸流特性性能曲線

由圖6可知，隨著質(zhì)量流量的增加，原始風(fēng)扇軸流特性下的全壓不斷減??；軸功率先增大后減小，在質(zhì)量流量為68 kg/s時(shí)，軸功率達(dá)到最大值；全壓效率同樣先增大后減小，但增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)小于下降幅度，在質(zhì)量流量為50 kg/s時(shí)，達(dá)到最大值。三款優(yōu)化軸向曲率半徑的風(fēng)扇全壓遠(yuǎn)高于原始風(fēng)扇全壓，且最大全壓均有所提升。在現(xiàn)有的質(zhì)量流量范圍內(nèi)，隨著質(zhì)量流量的不斷增加，三款優(yōu)化風(fēng)扇的軸功率在一直增大，且沒有下降趨勢(shì)。較原始風(fēng)扇，三款優(yōu)化風(fēng)扇的全壓效率明顯提高，最大全壓效率也有所提升，在質(zhì)量流量為60 kg/s時(shí)，優(yōu)化風(fēng)扇全壓效率達(dá)到最大。

曲率半徑不斷增大的同時(shí)，為保證風(fēng)扇其他參數(shù)不變，葉片會(huì)逐漸增長(zhǎng)，三款優(yōu)化風(fēng)扇全壓效率雖均有所提升，但過長(zhǎng)的葉片會(huì)提高流體沿程損失，隨著曲率半徑不斷增大，提升效果卻并不明顯。因此，綜合考慮以上因素，取軸向曲率半徑Ra=150 mm為最優(yōu)方案。

2．2 風(fēng)扇軸向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步探究弧形斗式風(fēng)扇軸流特性下曲率半徑對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響，選取原始風(fēng)扇及Ra=150 mm最優(yōu)方案下改型風(fēng)扇軸向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 弧形斗式風(fēng)扇軸向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

由圖7(a)～(d)可以看出，原始風(fēng)扇吸力面全壓較大，最小值出現(xiàn)在葉片彎曲處，壓力面全壓分布不均勻，整體壓差低，進(jìn)而導(dǎo)致葉片整體軸流特性氣動(dòng)性能較低；改型風(fēng)扇吸力面全壓較原始風(fēng)扇明顯降低，最小值同樣出現(xiàn)在葉片彎曲處，葉片壓力面全壓分布均勻，整體壓差提高，進(jìn)而導(dǎo)致改型風(fēng)扇葉片整體軸流特性氣動(dòng)性能提高。

由圖7(e)～(h)可得，原始及改型風(fēng)扇均在葉片彎曲處壓力面速度最小，沿葉片彎曲方向速度逐漸增大。原始風(fēng)扇葉片吸力面出現(xiàn)流動(dòng)分離，產(chǎn)生失速渦，導(dǎo)致整體氣動(dòng)性能下降；改型風(fēng)扇由于曲率半徑彎曲過渡平滑，流體可以吸附在壁面上流動(dòng)，極大程度上延緩了流動(dòng)分離，從而使得風(fēng)扇軸流特性整體氣動(dòng)性能提高。

2．3 曲率半徑對(duì)風(fēng)扇離心特性的影響

對(duì)現(xiàn)有的弧形斗式風(fēng)扇單獨(dú)構(gòu)建離心風(fēng)扇計(jì)算模型，保持其他參數(shù)不變，僅改變風(fēng)扇徑向流動(dòng)的曲率半徑，給定曲率半徑Rc=110 mm、150 mm及200 mm，分析曲率半徑對(duì)風(fēng)扇軸流特性的影響。圖8為不同風(fēng)量工況下原始及改新型弧形斗式風(fēng)扇離心特性氣動(dòng)參數(shù)變化曲線。

圖8 弧形斗式風(fēng)扇離心特性性能曲線

由圖8可得，較原型弧形斗式葉片的離心風(fēng)扇，采用進(jìn)口圓弧段的離心風(fēng)扇運(yùn)行工況范圍擴(kuò)大，且效率提升較為明顯，尤其是在大流量工況區(qū)；隨著葉片型線曲率減小，優(yōu)化方案離心風(fēng)扇效率逐漸提高。在提高幅度逐漸減低并保持質(zhì)量流量不變的前提下，全壓效率隨曲率半徑的增大而增大，但增幅效果依舊不明顯。當(dāng)Rc增至200 mm時(shí)，效率基本無法繼續(xù)提升，其原因在于，葉片徑向曲率的繼續(xù)減小已無法繼續(xù)減低局部損失，但卻使得表面摩擦損失明顯增大；此外，葉片徑向長(zhǎng)度的增加，亦會(huì)對(duì)電機(jī)其他部件的結(jié)構(gòu)與布局造成影響。因此，綜合考慮以上因素，取徑向曲率Rc=110 mm為最優(yōu)方案。

2．4 風(fēng)扇徑向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步探究弧形斗式風(fēng)扇離心特性下曲率半徑對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響，選取原始風(fēng)扇及Rc=110 mm最優(yōu)方案下改型風(fēng)扇軸向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 弧形斗式風(fēng)扇徑向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

由圖9(a)～(d)可知，原始風(fēng)扇全壓大的區(qū)域大多集中在葉片壓力面附近，吸力面壓力較小，整體壓差低，風(fēng)扇整體離心氣動(dòng)性能低；優(yōu)化后改型風(fēng)扇中部、上部區(qū)域整體全壓增大，這是葉片離心特性做功的主要部位。葉片吸力面全壓有所提高，但整體壓差增大，較原始風(fēng)扇，改型風(fēng)扇整體離心氣動(dòng)性能提高。

由圖9(e)～(h)可得，原始風(fēng)扇上部整體速度遠(yuǎn)高于優(yōu)化后改型風(fēng)扇上部整體速度，最小速度大多集中在葉片壓力面。原始風(fēng)扇吸力面流動(dòng)分離區(qū)域較大，分離點(diǎn)靠前；優(yōu)化后改型風(fēng)扇延緩了流動(dòng)分離點(diǎn)，流動(dòng)分離區(qū)域明顯減小，因此改型風(fēng)扇離心特性整體氣動(dòng)性能提高。

3 結(jié)論

本文以提高風(fēng)扇氣動(dòng)性能為目標(biāo)，基于已有的弧形斗式風(fēng)扇，提出通過改變曲率半徑的方法，著重分析曲率半徑對(duì)弧形斗式風(fēng)扇軸流及離心特性的影響規(guī)律，具體如下：

(1) 增大弧形斗式風(fēng)扇軸向葉片的曲率半徑可以減輕流體對(duì)葉片的沖擊，延緩弧形斗式風(fēng)扇流動(dòng)分離，能有效提高風(fēng)扇整體壓差，增大風(fēng)扇整體效率，使得風(fēng)扇軸流特性氣動(dòng)性能增加。

(2) 將原有的弧形斗式風(fēng)扇徑向葉片葉型由一塊直板優(yōu)化成一塊直板和一塊圓弧板，通過增大葉片的曲率半徑，可有效延緩葉片流動(dòng)分離點(diǎn)，減小流動(dòng)分離，葉片整體壓差增大，使得風(fēng)扇離心特性氣動(dòng)性能增加。

(3) 在質(zhì)量流量不變的前提下，弧形斗式風(fēng)扇軸流及離心特性氣動(dòng)性能隨葉片的曲率半徑的增大而增大，但增長(zhǎng)幅度逐漸降低。