畸變進(jìn)氣條件下礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速機(jī)理研究

陳慶光，邢振想，姜忠瑞，徐聰聰

（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，隨著煤礦智能化程度和單個(gè)煤礦煤炭產(chǎn)量的大幅提高，對(duì)礦用通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行工況范圍和運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高要求。礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)在小流量工況，尤其是旋轉(zhuǎn)失速工況下運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)穩(wěn)定性問題得到了越來越多的關(guān)注。另外，以壓入式工作的礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)，進(jìn)口常常會(huì)布置消聲器、彎管等部件，以減小風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)噪聲，但對(duì)于風(fēng)機(jī)的葉片排來講，這形成了畸變的進(jìn)氣條件。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在畸變進(jìn)氣條件的旋轉(zhuǎn)失速工況下，會(huì)極易引發(fā)風(fēng)機(jī)的流動(dòng)失穩(wěn)，造成風(fēng)機(jī)葉片更早地發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂，給煤礦的安全運(yùn)行帶來巨大威脅[1-2]。因此，探究畸變進(jìn)氣條件下礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生與發(fā)展的機(jī)理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

旋轉(zhuǎn)失速是葉輪機(jī)械中一種周期性變化的不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，自20 世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞風(fēng)機(jī)、壓氣機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象開展了深入的研究。目前，一般將進(jìn)入失速的路徑分為兩類：一種是相對(duì)線性化的模態(tài)波失速，另一種是非線性的突發(fā)型失速[3-4]。兩種旋轉(zhuǎn)失速分別對(duì)應(yīng)著不同的失速起始擾動(dòng)類型。McDougall 等[5]在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀測(cè)到一種傳播速度約為50%轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速且與失速團(tuán)轉(zhuǎn)速近乎一致的模態(tài)波型失速起始擾動(dòng)。Garnier 等[6]基于多臺(tái)壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步研究了模態(tài)波型擾動(dòng)，還發(fā)現(xiàn)模態(tài)波型擾動(dòng)是連續(xù)地過渡到完全旋轉(zhuǎn)失速階段。Day[7]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了不同于模態(tài)波型擾動(dòng)的突發(fā)型擾動(dòng)，其主要發(fā)生在葉頂區(qū)，旋轉(zhuǎn)速度約為70%轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其一旦出現(xiàn)便快速傳播、擴(kuò)張，在失速前兩到三個(gè)旋轉(zhuǎn)周期才能被探測(cè)到。文獻(xiàn)[8-9]對(duì)突發(fā)型失速起始擾動(dòng)開展了大量研究，將失速起始擾動(dòng)與葉輪通道內(nèi)葉頂間隙區(qū)的流動(dòng)情況建立了聯(lián)系。蔣康濤等[10]較早地開展了壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速研究，發(fā)現(xiàn)間隙泄漏流的發(fā)展是突發(fā)型失速起始擾動(dòng)產(chǎn)生的主要原因。文獻(xiàn)[11-13]對(duì)單級(jí)和多級(jí)壓氣機(jī)采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，對(duì)壓氣機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速演變過程做了大量的研究，在近失速工況下近葉尖區(qū)域發(fā)現(xiàn)了不同于泄漏渦的“葉尖二次渦”。Zhang 等[14-15]針對(duì)電站用兩級(jí)軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)討論了風(fēng)機(jī)中的熵增值在失速演變過程中的變化規(guī)律。

如上所述，諸多學(xué)者對(duì)于失速起始擾動(dòng)的判別方法以及葉頂流動(dòng)對(duì)誘發(fā)失速所起到的關(guān)鍵作用已經(jīng)定性地達(dá)成共識(shí)，但針對(duì)不同類型的研究對(duì)象旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生和發(fā)展的物理機(jī)制仍沒有得出一致的結(jié)論。為此，本文以一臺(tái)國(guó)內(nèi)煤礦廣泛使用的礦用對(duì)旋主通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，模擬風(fēng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的非定常流動(dòng)特征，研究風(fēng)機(jī)在畸變進(jìn)氣（安裝90°彎管、進(jìn)口消聲器）條件下其內(nèi)部失速起始擾動(dòng)首發(fā)的位置、類型及其傳播與發(fā)展機(jī)理，為在設(shè)計(jì)階段提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性及對(duì)風(fēng)機(jī)失速進(jìn)行被動(dòng)和主動(dòng)控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象是以壓入式工作的FBCDZ-10-No20 型對(duì)旋風(fēng)機(jī)，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括：進(jìn)氣片式消聲器、90° 矩形截面彎管、集流器、前級(jí)葉輪、后級(jí)葉輪、前級(jí)電機(jī)、后級(jí)電機(jī)、擴(kuò)散器等結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)的輪轂比為0.62，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為980 r/min，前、后級(jí)葉片數(shù)分別為19 和17，葉頂間隙為2 mm。對(duì)圖1 所示的對(duì)旋風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化并對(duì)各計(jì)算區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖2 還給出了兩級(jí)葉輪區(qū)域網(wǎng)格的劃分情況，葉輪區(qū)域均采用H-O-H 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，葉片表面為O 型網(wǎng)格，區(qū)域內(nèi)其他部分為H 型網(wǎng)格。對(duì)兩級(jí)葉輪的葉頂間隙、前緣及尾緣區(qū)域進(jìn)行了局部加密。為了平衡計(jì)算資源與計(jì)算精度，對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，將不同網(wǎng)格數(shù)量下計(jì)算出的風(fēng)機(jī)全壓升與全壓效率進(jìn)行了對(duì)比，如圖3 所示。最終整體計(jì)算采用的網(wǎng)格其總網(wǎng)格數(shù)為63×105，其中前級(jí)葉輪區(qū)域與后級(jí)葉輪區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)分別為285×104和238×104。

圖1 對(duì)旋風(fēng)機(jī)幾何結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 兩級(jí)葉輪區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件設(shè)置

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

本文在定常計(jì)算中采用適用于逆壓梯度模擬的SSTk-ω湍流模型，在非定常計(jì)算中采用DES 混合方法來實(shí)現(xiàn)分離區(qū)的高精度預(yù)測(cè)[16-17]。時(shí)間步長(zhǎng)取為0.000 3 s，即一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)葉輪旋轉(zhuǎn)1.8°，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)最大迭代20 次。

2.2 邊界條件設(shè)置

以進(jìn)氣片式消聲器入口截面作為風(fēng)機(jī)的進(jìn)口，設(shè)置進(jìn)口總壓，氣流方向垂直于軸向，風(fēng)機(jī)出口為擴(kuò)散器出口截面，葉片表面、輪轂和機(jī)殼內(nèi)壁面均采用無滑移邊界條件。對(duì)于計(jì)算域中的動(dòng)-靜、動(dòng)-動(dòng)交界面，定常計(jì)算中均采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，非定常計(jì)算中則采用瞬態(tài)轉(zhuǎn)子/靜子法。

定常計(jì)算時(shí)通過逐漸升高出口背壓值的方法來逼近失速點(diǎn)，待定常計(jì)算發(fā)散時(shí)，在出口加載下面列出的節(jié)流閥函數(shù)[18]，不斷減小節(jié)流閥開度以使風(fēng)機(jī)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。

式中：pout為出口背壓；pin為外界環(huán)境壓力；k0為常數(shù)；k1為節(jié)流閥開度；ρ為空氣密度；U為出口軸向速度。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與分析

為監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力的變化，在兩級(jí)葉輪不同葉高處都周向均勻地布置若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在圖4 所示的前級(jí)葉輪通道中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P11、P12和P13分別位于10%、50%和90%葉高處；M11、M12、M13和N11、N12、N13為沿前級(jí)葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相隔3 個(gè)流道設(shè)置的另外兩組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其徑向位置與P11、P12、P13完全相同。后級(jí)葉輪采用與前級(jí)葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)相同的布置方法，分別命名為P21、P22、P23、M21、M22、M23、N21、N22、N23。為了更好地解析流場(chǎng)信息，以上設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于相對(duì)坐標(biāo)系下，這樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受到的擾動(dòng)主要來自相對(duì)的葉輪，即前級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受的壓力脈動(dòng)主要是后級(jí)葉輪引起的，而后級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受的壓力脈動(dòng)主要是由前級(jí)葉輪所致。

圖4 前級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況

3.2 旋轉(zhuǎn)失速過程中周向監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化

圖5為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生過程中兩級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處采集到的靜壓信號(hào)，圖中橫坐標(biāo)以葉輪一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期為單位。從圖5 中可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力一開始均呈較穩(wěn)定的周期性變化。在即將進(jìn)入第8 個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，后級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力開始出現(xiàn)小幅值、非周期性的壓力波動(dòng)，這說明前級(jí)葉輪中率先出現(xiàn)了失速起始擾動(dòng)。

圖5 兩級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化

經(jīng)過近3 個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的發(fā)展，后級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)幅值開始逐漸增大，并在1 個(gè)周期后波動(dòng)幅值穩(wěn)定下來，這說明此時(shí)前級(jí)葉輪已完全進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。前級(jí)葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)較后級(jí)葉輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)晚0.5 個(gè)周期受到擾動(dòng)，說明后級(jí)葉輪出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)的時(shí)間落后于前級(jí)葉輪。在此之后，前級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷了與后級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相似的壓力變化規(guī)律，經(jīng)過近4 個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的發(fā)展，維持著大幅值、非周期性的波動(dòng)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速。根據(jù)以上的分析，將風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)失速過程分為近失速、失速發(fā)展及完全失速階段。

為了得出失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的個(gè)數(shù)，圖6給出了風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域變化，從圖中可以看出，沿周向布置的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形在失速發(fā)展階段及完全失速階段均不具備良好的周期性，但可以通過計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)大幅值的壓力波動(dòng)個(gè)數(shù)（即一個(gè)周期內(nèi)壓力波形中波峰或波谷的個(gè)數(shù)）來確定失速起始擾動(dòng)及失速團(tuán)的個(gè)數(shù)。經(jīng)過計(jì)算得出，在失速發(fā)展階段兩級(jí)葉輪中一個(gè)周期內(nèi)各有17 個(gè)壓力波動(dòng)個(gè)數(shù)，即各有17 個(gè)失速起始擾動(dòng)聚集區(qū)域；在完全失速階段兩級(jí)葉輪一個(gè)周期內(nèi)的壓力波動(dòng)個(gè)數(shù)分別為19、17，即失速團(tuán)個(gè)數(shù)分別為19、17。

圖6 兩級(jí)葉輪失速發(fā)展過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化

3.3 失速起始擾動(dòng)沿整周的產(chǎn)生及發(fā)展過程

圖7給出了兩級(jí)葉輪98%葉高處周向截面在不同階段的軸向速度分布。隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)入圖7a）所示的近失速階段，前級(jí)葉輪內(nèi)葉片的前緣與尾緣附近均存在較大的軸向反流區(qū)，這主要是由于葉頂泄漏流在葉片前、后緣形成的前緣溢流與尾緣反流所引起的，并且絕大部分流道內(nèi)的前緣堵塞區(qū)都顯著大于后緣堵塞區(qū)，說明前緣溢流的強(qiáng)度要大于尾緣反流的強(qiáng)度。后級(jí)葉輪各流道內(nèi)前緣附近也存在由前緣溢流引起的堵塞區(qū)，但都小于前級(jí)葉輪的前緣堵塞區(qū)，同時(shí)各流道中葉片后緣均沒有明顯的堵塞區(qū)形成，這也說明前級(jí)葉輪整體上比后級(jí)葉輪更早地進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。

圖7 98%葉高處整周流道不同階段的軸向速度分布

當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入如圖7b）所示的失速發(fā)展階段時(shí)，兩級(jí)葉輪中各流道內(nèi)的反流區(qū)域較近失速階段更大，并且前級(jí)葉輪中的堵塞情況較后級(jí)葉輪更為嚴(yán)重。在失速發(fā)展階段，前級(jí)葉輪中各流道內(nèi)產(chǎn)生的前緣溢流與尾緣反流得到進(jìn)一步發(fā)展，已在葉片壓力面與吸力面之間形成一整片堵塞區(qū)。后級(jí)葉輪所有流道的前緣堵塞區(qū)已通過兩級(jí)葉輪之間的軸向間隙區(qū)連接在一起，堵塞了軸向間隙及后級(jí)葉輪通道的絕大部分區(qū)域，大部分流道的尾緣區(qū)域與下游擴(kuò)散器區(qū)域的堵塞情況與上游流道相比稍有緩解，此時(shí)兩級(jí)葉輪內(nèi)的每一個(gè)流道均存在反流區(qū)。風(fēng)機(jī)進(jìn)入完全失速階段后，兩級(jí)葉輪各流道內(nèi)的堵塞情況與失速發(fā)展階段相比進(jìn)一步惡化，兩級(jí)葉輪之間軸向間隙內(nèi)的軸向反流區(qū)域更大，軸向反流速度也更高。總體來看，兩級(jí)葉輪的各流道內(nèi)僅在葉片壓力面附近在葉片的驅(qū)動(dòng)作用下仍存在向下游流動(dòng)的氣體，其余區(qū)域均已被軸向反流所占據(jù)。

為了更全面地掌握兩級(jí)葉輪中失速擾動(dòng)區(qū)域在整周全葉高范圍上的分布情況，圖8 和圖9 分別給出了兩級(jí)葉輪在軸向截面Z= 1.856 m 與Z= 1.656 m處不同階段的軸向速度分布，兩軸向截面分別位于兩級(jí)葉輪葉根截面的50%弦長(zhǎng)處。

圖8 前級(jí)葉輪軸向截面不同階段的軸向速度分布

圖9 后級(jí)葉輪軸向截面不同階段的軸向速度分布

從圖8a）所示的近失速階段可以看出，沿周向上各流道的葉頂區(qū)域均出現(xiàn)了明顯的反流區(qū)，這主要是由前級(jí)葉輪中出現(xiàn)的前緣溢流與尾緣反流引起的堵塞所致。隨著風(fēng)機(jī)進(jìn)入圖8b）所示的失速發(fā)展階段，此時(shí)各流道葉頂區(qū)域的反流區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，部分堵塞嚴(yán)重的流道內(nèi)的反流區(qū)域已沿徑向從葉頂延伸至75%葉高處，小部分堵塞較輕的流道延伸至85%葉高處。沿周向各個(gè)流道的堵塞區(qū)域差異較大，但也沒有呈現(xiàn)明顯的分布規(guī)律，軸向反流區(qū)存在于每一個(gè)流道，這與圖7b）所示的兩級(jí)葉輪沿周向失速擾動(dòng)區(qū)域的分布是一致的，即風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速發(fā)展階段后，反流區(qū)域存在于每一個(gè)流道內(nèi)。風(fēng)機(jī)進(jìn)入完全失速階段，從圖8c）可以看出，各流道的軸向反流區(qū)域較失速發(fā)展階段進(jìn)一步擴(kuò)大，絕大部分流道內(nèi)的堵塞區(qū)域擴(kuò)大至60%葉高就不再繼續(xù)向葉根延伸，屬于部分葉高失速。沿周向的各個(gè)流道內(nèi)均有失速團(tuán)聚集區(qū)，即前級(jí)葉輪內(nèi)有19 個(gè)失速團(tuán)。

風(fēng)機(jī)后級(jí)葉輪在不同階段軸向反流區(qū)域的變化趨勢(shì)與前級(jí)葉輪相似，也是從近失速階段發(fā)展到完全失速階段過程中自葉頂區(qū)域向低葉高區(qū)域不斷延伸，但各個(gè)階段下各流道的堵塞區(qū)域均小于前級(jí)葉輪。在完全失速階段，各個(gè)流道的堵塞區(qū)域存在較大差異，部分流道延伸至65%葉高處，另有部分流道延伸至85%葉高處，失速團(tuán)個(gè)數(shù)為17。另外，后級(jí)葉輪在不同階段葉根附近都存在一定的反流區(qū)域。隨著工況的惡化，分離區(qū)域并沒有明顯擴(kuò)大，在完全失速階段也沒有與葉頂?shù)氖賵F(tuán)聚集區(qū)發(fā)生交匯、融合，說明葉根分離區(qū)是獨(dú)立產(chǎn)生和發(fā)展的。

3.4 失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的周向傳播規(guī)律

對(duì)失速發(fā)展階段與完全失速階段兩級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力信號(hào)進(jìn)行FFT 分析，得到圖10 所示的不同失速階段兩級(jí)葉輪內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓頻譜。

圖10 不同失速階段兩級(jí)葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓頻譜分析

從圖10 中可以觀察到，除了固有的兩倍葉片通過頻率，前級(jí)葉輪在305 Hz 和255 Hz，后級(jí)葉輪在378 Hz 和217 Hz 處均存在明顯的擾動(dòng)，在后級(jí)葉輪的完全失速階段也在相同的頻率處存在較大的擾動(dòng)。根據(jù)以上各頻率處的壓力脈動(dòng)幅值的變化規(guī)律可知，后級(jí)葉輪的失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播頻率分別為305 Hz 和255 Hz，前級(jí)葉輪的失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播頻率分別為378 Hz 和217 Hz。由于兩級(jí)葉輪是采用對(duì)旋布置形式，因此在絕對(duì)坐標(biāo)系下兩級(jí)葉輪內(nèi)的失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)傳播頻率均要減半，再利用此前得出的失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的個(gè)數(shù)，最后將以上所得數(shù)據(jù)代入式（2），即可求出前級(jí)葉輪失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播速度分別為葉輪轉(zhuǎn)速的60.9%和35%，后級(jí)葉輪失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播速度分別為葉輪轉(zhuǎn)速的55%和46%。

式中：n為失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播速度；f為失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播頻率；N為失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的個(gè)數(shù)；f1為軸頻率，f1= 980/60 =16.33 Hz。

為了揭示失速團(tuán)沿周向的傳播機(jī)理，圖11 給出了完全失速階段兩級(jí)葉輪部分通道葉頂反流區(qū)的流線分布。從圖11a）可以看出，通道A1中主流在受到通道內(nèi)分離渦的阻滯后部分氣流成為通道反流流出了流道并進(jìn)入相鄰?fù)ǖ繟2，反流的流入改變了通道A2的進(jìn)口氣流角進(jìn)而加劇了通道內(nèi)的流動(dòng)分離，并在轉(zhuǎn)向過程中在流道內(nèi)引起較大的擾動(dòng)。這部分反流作為通道A2中失速團(tuán)的一部分參與了葉尖附近的葉尖渦并同樣受到通道中分離渦的影響，這樣通道A1中形成的反流又有部分氣流成為了通道A2中的反流。通道A2中的反流又進(jìn)入相鄰?fù)ǖ繟3，這與通道A1中的反流進(jìn)入通道A2的過程是一樣的。這樣每個(gè)通道的反流不斷地流入相鄰?fù)ǖ溃谙噜徚鞯赖娜~頂區(qū)域引起大幅值的擾動(dòng)，也就是說相鄰流道內(nèi)失速團(tuán)的擾動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨前一通道流入的反流與本通道流出的反流而發(fā)生變化。這種失速團(tuán)擾動(dòng)強(qiáng)度沿葉輪周向的變化即形成了失速團(tuán)的傳播。總之，失速團(tuán)是從通道A1流入通道A2，然后再流入通道A3進(jìn)行周向傳播的，說明失速團(tuán)傳播方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，這主要是由失速團(tuán)傳播速度低于葉輪轉(zhuǎn)速所造成的。以上分析是在相對(duì)坐標(biāo)系下進(jìn)行的，即相對(duì)于葉片來說做相反運(yùn)動(dòng)，但從本質(zhì)上說失速團(tuán)是隨著葉輪一起旋轉(zhuǎn)，即在靜止坐標(biāo)系（絕對(duì)坐標(biāo)系）下，失速團(tuán)是與葉輪做同向旋轉(zhuǎn)，傳播速度低于葉輪轉(zhuǎn)速。后級(jí)葉輪中失速團(tuán)的傳播機(jī)理與前級(jí)葉輪一樣，也是由通道反流引起的失速團(tuán)擾動(dòng)強(qiáng)度沿周向的變化。

圖11 完全失速階段兩級(jí)葉輪葉頂區(qū)域反流的流線分布

4 結(jié)論

對(duì)畸變進(jìn)氣條件下，礦用對(duì)旋風(fēng)機(jī)失速過程中內(nèi)部的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下主要結(jié)論：

1）畸變進(jìn)氣條件下，對(duì)旋風(fēng)機(jī)的失速起始擾動(dòng)首發(fā)于前級(jí)葉輪的葉頂區(qū)域，前級(jí)葉輪也因此先進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。后級(jí)葉輪葉根處的角區(qū)也發(fā)生了流動(dòng)分離，但該分離區(qū)在不同失速階段都沒有與大葉高處的失速擾動(dòng)區(qū)域發(fā)生交匯、融合，說明葉根處的分離區(qū)是獨(dú)立產(chǎn)生和發(fā)展的。

2）風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪內(nèi)的失速起始擾動(dòng)均為“突發(fā)型”，都是從葉頂區(qū)域向葉根區(qū)域逐漸延伸而發(fā)展為成熟的失速團(tuán)的。前級(jí)葉輪內(nèi)失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的個(gè)數(shù)分別為17、19，后級(jí)葉輪中二者的個(gè)數(shù)均為17。

3）前、后級(jí)葉輪內(nèi)失速團(tuán)的傳播都是通過通道內(nèi)的反流所引起的失速團(tuán)擾動(dòng)強(qiáng)度沿葉輪周向的變化來實(shí)現(xiàn)的。前級(jí)葉輪失速起始擾動(dòng)與失速團(tuán)的傳播速度分別為葉輪轉(zhuǎn)速的60.9%和35%，后級(jí)葉輪中二者的傳播速度分別為葉輪轉(zhuǎn)速的55%和46%。