葉頂間隙對(duì)壓入式礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)葉頂區(qū)域流動(dòng)性的影響

陳慶光，郭 武，張禎江，徐延輝

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

近年來，為了保障煤礦通風(fēng)的安全性，對(duì)礦用通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高要求。就目前作為我國(guó)煤礦主流通風(fēng)設(shè)備的對(duì)旋風(fēng)機(jī)而言，其在運(yùn)行過程中，部分流體在葉片兩側(cè)壓差的作用下會(huì)越過葉頂間隙而形成葉頂泄漏流，并在逆壓梯度的作用下形成泄漏渦，這是葉頂區(qū)域的主要流動(dòng)特征[1]，也是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生流動(dòng)損失的主要來源。而風(fēng)機(jī)在小流量工況下運(yùn)行時(shí)的葉頂間隙泄漏流，不僅影響風(fēng)機(jī)的效率，而且影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)葉頂泄漏流及其影響進(jìn)行了大量的研究[2-5]。杜鵑等[6]通過對(duì)葉頂泄漏流壓氣機(jī)內(nèi)非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，間隙泄漏流非定常波動(dòng)強(qiáng)度在節(jié)流過程中不斷增強(qiáng)，泄漏流與主流交界面不斷前移直至溢出的兩種特征流動(dòng)。Nan[7]等采用一種新的積分方法來評(píng)估壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，該方法是基于轉(zhuǎn)子葉頂泄漏流的前緣溢流觸發(fā)“突尖型”失速起始擾動(dòng)，并且此類溢出的起始條件由轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域內(nèi)的軸向動(dòng)量平衡確定。段靜瑤等[8]對(duì)不同葉頂間隙的壓氣機(jī)進(jìn)行三維定常流動(dòng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在大間隙下，葉尖前緣附近的泄漏流誘導(dǎo)中部及尾緣附近泄漏流共同形成回流及大量二次泄漏，引發(fā)失速。孟大偉等[9]研究了葉頂間隙對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)后級(jí)葉頂間隙所產(chǎn)生的泄漏流比前級(jí)更為嚴(yán)重。胡書珍等[10]通過對(duì)軸流壓氣機(jī)內(nèi)非定常流道的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，間隙泄漏流的隨機(jī)振蕩誘發(fā)了轉(zhuǎn)子內(nèi)“突尖型”旋轉(zhuǎn)失速起始擾動(dòng)。Mao等[11]針對(duì)對(duì)旋壓氣機(jī)的研究表明，在設(shè)計(jì)工況下，前級(jí)轉(zhuǎn)子的葉頂間隙對(duì)其葉頂泄漏渦旋強(qiáng)度、起始點(diǎn)和軌跡均具有顯著影響。王掩剛等[12]、石嵩等[13]針對(duì)雙排壓氣機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，葉頂間隙內(nèi)的非定常波動(dòng)主要由葉頂間隙主泄漏渦和次泄漏渦的非定常干涉引起，主泄漏渦引發(fā)的非定常波動(dòng)占主導(dǎo)地位。謝芳等[14]針對(duì)跨聲速軸流壓氣機(jī)分析了泄漏渦在不同失速機(jī)制中的作用。迄今，雖然人們對(duì)葉頂區(qū)域的流動(dòng)機(jī)理有了較深入的認(rèn)識(shí)，但針對(duì)不同葉頂間隙內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)與失速起始擾動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)仍缺乏系統(tǒng)、深入的研究。

通過數(shù)值模擬，分析和研究對(duì)旋風(fēng)機(jī)在不同葉頂間隙下葉頂區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及失速起始擾動(dòng)類型，為提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供參考。

1 幾何模型建立與數(shù)值模擬

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以FBCDZ-10-No20型礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。風(fēng)機(jī)前、后級(jí)葉片數(shù)分別為19、17，輪轂比為0.62，兩級(jí)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速均為980r/min。

圖1 對(duì)旋通風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

為了準(zhǔn)確模擬葉頂間隙內(nèi)的流動(dòng)，對(duì)間隙進(jìn)行了適當(dāng)網(wǎng)格加密，2mm、3mm和4mm間隙下，沿葉片展向的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為92、96和100，兩級(jí)轉(zhuǎn)子葉頂間隙區(qū)域徑向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)均為30，葉輪區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 葉輪區(qū)域網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證如圖3所示，在2mm、3mm和4mm葉頂間隙下進(jìn)行數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格數(shù)分別為7×106、7.13×106和7.29×106。圖中TC1、TC2和TC3分別表示葉頂間隙為2mm、3mm和4mm。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.2 數(shù)值模擬方法與邊界條件

1.2.1 數(shù)值模擬方法

采用SST k-ω[15]湍流模型以提高對(duì)具有逆壓梯度流動(dòng)的預(yù)測(cè)精度，非定常計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.0003s，即在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)1.8°。

1.2.2 邊界條件設(shè)置

以集流器進(jìn)口作為計(jì)算域的進(jìn)口，給定相對(duì)總壓為0Pa，進(jìn)氣沿軸向；以擴(kuò)散器的出口作為計(jì)算域的出口，給定出口靜壓；壁面采用無滑移條件。

1.2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

為了對(duì)流場(chǎng)中的瞬態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在前、后級(jí)葉輪通道內(nèi)10%、50%和98%葉高處分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，前級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。圖中P11、P12、P13分別位于10%，50%，98%葉高處，后級(jí)葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置方法與前級(jí)葉輪相同，分別命名為P21、P22、P23。

圖4 前級(jí)葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2 葉頂間隙內(nèi)流動(dòng)分析

2.1 葉頂間隙對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

通過逐步提高風(fēng)機(jī)的出口背壓向小流量工況推進(jìn)，取最后發(fā)散之前的穩(wěn)定收斂解作為近失速點(diǎn)，得到三種間隙的風(fēng)機(jī)全壓、效率特性曲線，如圖5所示。在峰值效率點(diǎn)處，葉頂間隙對(duì)風(fēng)機(jī)全壓和效率的影響較小，隨著風(fēng)機(jī)向小流量工況移動(dòng)，增大葉頂間隙，對(duì)旋風(fēng)機(jī)的全壓和效率均明顯降低，當(dāng)葉頂間隙從2mm增至4mm時(shí)，峰值效率工況下，全壓降低232.93Pa，效率降低約2%；在近失速工況下，全壓降低725Pa，效率降低約7%。

圖5 三種葉頂間隙的風(fēng)機(jī)特性曲線

峰值效率工況下98%葉高處整周流道不同葉頂間隙的靜熵分布如圖6所示。

圖6 三種葉頂間隙時(shí)整周流道98%葉高截面靜熵

由圖6可見，兩級(jí)葉輪流道中的靜熵云圖有一條明顯的分界線，這是因?yàn)榍凹?jí)葉輪的葉頂間隙流在主流驅(qū)動(dòng)的作用下流向相鄰葉片壓力面弦長(zhǎng)中部位置而導(dǎo)致流道中存在較大的速度差；后級(jí)葉輪的葉頂間隙流受較大逆壓梯度的影響，其與通道中主流的交界面非常靠近葉尖的前緣，但并未從前緣溢出，葉頂區(qū)域的通道整體上具有良好的流通性；隨著兩級(jí)葉輪葉頂間隙的增大，葉頂區(qū)域的熵?fù)p失逐漸增大，但所有間隙下后級(jí)葉輪葉頂區(qū)域的熵?fù)p失均明顯大于前級(jí)，說明后級(jí)葉輪葉頂區(qū)域的流動(dòng)損失程度比前級(jí)更為嚴(yán)重。

2.2 葉頂間隙內(nèi)流動(dòng)分析

2.2.1 峰值效率工況下的葉頂間隙內(nèi)流動(dòng)

峰值效率工況下三種葉頂間隙內(nèi)的流線分布如圖7所示。將前緣附近(0%～30%軸向弦長(zhǎng))、弦長(zhǎng)中部(30%～80%軸向弦長(zhǎng))及尾緣附近(80%～100%軸向弦長(zhǎng))流線分別記為L(zhǎng)E、MID及TE。

圖7 三種葉頂間隙時(shí)兩級(jí)葉輪的葉頂間隙泄漏流

首先分析后級(jí)葉頂間隙內(nèi)的流線分布特征。在TC1時(shí)，LE和MID泄漏流相互卷起，通過相鄰葉片壓力面附近流出葉片通道；TE泄漏流的流動(dòng)方向較LE和MID泄漏流更偏向于軸向，少部分LE和TE泄漏流跨過相鄰葉片形成二次泄漏流；TC1時(shí)大部分葉頂間隙流都能順利流出通道。TC2時(shí)，LE和MID的扭曲程度更加嚴(yán)重，卷起的泄漏流強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，LE和MID泄漏流流向更偏向于周向，部分MID和TE泄漏流跨過相鄰葉片形成二次泄漏流。TC3時(shí)，LE卷起的泄漏流強(qiáng)度明顯高于前兩種情況，且范圍更廣，在該泄漏流的誘導(dǎo)下，LE與MID泄漏流線的方向顯著偏向于周向。大量泄漏流越過相鄰葉片頂部形成二次泄漏，這是較大間隙時(shí)效率降低的主要原因。三種間隙下前級(jí)葉輪的流線特征與后級(jí)葉輪相似，但前級(jí)葉輪前緣吸力面附近通道的流速較快，損失較小，這與圖6的現(xiàn)象相一致。

2.2.2 近失速工況下的葉頂間隙內(nèi)流動(dòng)

近失速工況下兩級(jí)葉輪三種葉頂間隙內(nèi)的流線分布如圖8所示。

圖8 三種葉頂間隙時(shí)兩級(jí)葉輪的葉頂間隙泄漏流

首先分析前級(jí)葉頂間隙內(nèi)的流線分布特征，TC1時(shí)LE前緣吸力面產(chǎn)生葉尖渦，并且葉頂泄漏流在流至吸力面后半段時(shí)在葉片吸力面分離渦的阻滯作用下流向發(fā)生了改變，大部分氣流直接向上翻轉(zhuǎn)成為通道內(nèi)的反流流出通道，并很快再次作為主流的組成部分進(jìn)入相鄰流道。MID幾乎從相鄰葉片前緣流出，TE大部分沿周向流動(dòng)。TC2時(shí)葉頂區(qū)域流動(dòng)情況與T1時(shí)相似，不同的是，TE附近出現(xiàn)大量流體從相鄰葉片的葉頂流出，形成二次泄漏流。TC3時(shí)大量的通道反流與葉頂二次流相互作用形成了葉頂區(qū)域的復(fù)雜流動(dòng)，并且TE全部從相鄰葉片葉頂流出，形成二次泄漏流，與前兩種間隙相比，從趨勢(shì)上看，其泄漏流向葉片前緣移動(dòng)，流向更偏向于周向。在較大的間隙下，前緣泄漏流形成松散的渦系結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)中部及尾緣泄漏流動(dòng)形成回流及二次泄漏，堵塞葉輪葉尖通道的進(jìn)口，引起失速起始擾動(dòng)的發(fā)生。三種間隙下后級(jí)葉輪的流線特征相似，較前級(jí)葉輪的流動(dòng)狀況稍好。

3 三種間隙近失速工況葉頂區(qū)域流動(dòng)特征

三種葉頂間隙下近失速點(diǎn)兩級(jí)葉輪98%葉高處部分流道流線分布如圖9所示。

圖9 三種葉頂間隙時(shí)兩級(jí)葉輪98%葉高處流道流線分布

由圖9可見，TC1時(shí)，兩級(jí)葉輪均出現(xiàn)前緣溢流現(xiàn)象，前級(jí)葉輪來自相鄰葉片通道的葉頂泄漏流繞過葉片5尾緣形成了尾緣反流，導(dǎo)致大部分氣流不能順暢地流出通道，引發(fā)流道大范圍堵塞；并且前級(jí)葉輪吸力面前緣處出現(xiàn)葉頂泄漏渦，是由葉片壓力面的靜壓遠(yuǎn)大于吸力面壓力所導(dǎo)致；前級(jí)葉片吸力面前緣的泄漏渦誘導(dǎo)出的間隙流構(gòu)成了相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的反流，如圖中虛線所示；與前級(jí)葉輪相比，后級(jí)葉輪的部分氣流仍可以順暢流出通道。TC2時(shí)前級(jí)葉輪吸力面前緣處的葉頂泄漏渦較TC1減弱，擴(kuò)展范圍增大，由吸力面前緣泄漏渦誘導(dǎo)的間隙流大量堵塞在葉片通道內(nèi)，然后演變成為大范圍的通道反流，而且其通道反流的范圍、強(qiáng)度要大于后級(jí)葉輪；另外前級(jí)葉輪出現(xiàn)的尾緣反流現(xiàn)象，使葉片尾緣附近形成較大的堵塞區(qū)域，阻滯了流道內(nèi)局部流體向下游的流動(dòng)，引起流動(dòng)損失的增加。TC3時(shí)，前級(jí)葉輪吸力面前緣附近的泄漏渦已經(jīng)消失，說明隨著葉頂間隙的增大，葉頂泄漏渦保持集中渦的能力減弱，擴(kuò)展范圍更大；前級(jí)葉輪通道內(nèi)的堵塞范圍明顯大于后級(jí)葉輪；前級(jí)葉輪也出現(xiàn)了尾緣反流現(xiàn)象。綜上分析，近失速點(diǎn)處三種間隙下前級(jí)葉輪葉頂區(qū)域均同時(shí)出現(xiàn)了前緣溢流與尾緣反流現(xiàn)象，與Vo等[16-18]提出的“突尖型”失速起始擾動(dòng)的特征相一致，也進(jìn)一步確定了對(duì)旋風(fēng)機(jī)失速起始擾動(dòng)類型屬于“突尖型”。

TC1下風(fēng)機(jī)前后級(jí)葉輪內(nèi)部各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的壓力信號(hào)如圖10所示。對(duì)比可見，前級(jí)葉輪在尚未進(jìn)入第9個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了失速起始擾動(dòng)，而后級(jí)葉輪進(jìn)入第9個(gè)旋轉(zhuǎn)周期才出現(xiàn)擾動(dòng)，即前級(jí)葉輪較后級(jí)更早的進(jìn)入失速起始擾動(dòng)狀態(tài)。同理，TC2與TC3也是前級(jí)葉輪更早發(fā)生失速起始擾動(dòng)。

圖10 TC1下兩級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)域

近失速階段前級(jí)葉輪在不同葉高截面的流線分布如圖11所示。在TC1時(shí)，葉頂?shù)奈γ媲熬壧幊霈F(xiàn)了葉尖渦，它是由部分葉頂泄漏渦與通道主流相互作用而形成的，另外從其所在的位置來看，還與近失速階段不斷發(fā)展的前緣溢流有關(guān)；從圖中還可以看出，在葉片尾緣與輪轂相連的角區(qū)處可以觀察到較小的角區(qū)分離。TC2時(shí)，葉頂?shù)奈γ媲熬壧幫瑯佑腥~尖渦，前緣溢流與通道反流更加嚴(yán)重，在葉片吸力面下游附近出現(xiàn)泄漏渦，其是葉片吸力面發(fā)生邊界層分離而形成的，進(jìn)而引起較大的流動(dòng)損失。同樣，葉根處出現(xiàn)了角區(qū)分離，分離線延伸到30%徑向高度。TC3時(shí)，和前兩種間隙產(chǎn)生的現(xiàn)象相似，葉尖渦的強(qiáng)度達(dá)到最大，但最大不同在于葉根區(qū)域的角區(qū)分離更加嚴(yán)重，分離線延伸到60%徑向高度。綜上所述，在近失速工況下，前級(jí)葉輪失速起始擾動(dòng)首先發(fā)生在葉頂區(qū)域。

圖11 三種葉頂間隙時(shí)前級(jí)葉輪不同葉高截面流線分布

4 結(jié) 論

本研究對(duì)壓入式礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)三種葉頂間隙下葉頂區(qū)域的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下主要結(jié)論：

1)在三種葉頂間隙的峰值效率工況下，后級(jí)葉頂區(qū)域的熵?fù)p失明顯高于前級(jí)，葉頂間隙對(duì)后級(jí)葉輪內(nèi)流動(dòng)及損失的影響比對(duì)前級(jí)的影響更顯著。

2)在三種葉頂間隙的近失速工況下，前級(jí)葉頂區(qū)域均出現(xiàn)了前緣溢流和尾緣反流現(xiàn)象，流動(dòng)損失遠(yuǎn)大于后級(jí)。

3)葉頂泄漏渦主要由葉片前緣附近的泄漏流卷起而形成。在近失速工況，隨著葉頂間隙的增大，泄漏渦保持集中渦的能力減弱。在較大間隙情況下，前級(jí)葉輪前緣葉頂泄漏流形成松散的渦系結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)葉頂間隙內(nèi)中部及尾緣區(qū)域的泄漏流形成回流及二次泄漏，堵塞葉頂附近的通道進(jìn)口，引起“突尖型”失速起始擾動(dòng)的發(fā)生。