軸向間距對(duì)礦用旋風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)失速性能的影響

陳慶光 ，徐延輝 ，張禎江 ，郭 武

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

0 引 言

對(duì)旋風(fēng)機(jī)在小流量工況運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速乃至喘振等失穩(wěn)現(xiàn)象，影響其安全運(yùn)行[1-2]。兩級(jí)葉輪之間的軸向間距作為風(fēng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]，不僅與風(fēng)機(jī)的效率、壓升、軸向尺寸相關(guān)，而且其對(duì)于風(fēng)機(jī)的失速過(guò)程也具有重要影響[4]。

失速起始擾動(dòng)通常具有2 種典型類型：一種是發(fā)展緩慢、大尺度“模態(tài)型”；另一種是發(fā)展迅速、小尺度“突尖型”。MOORE 等[5]建立了壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性模型，該模型得到了使壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的模態(tài)波。VO 等[6]提出了觸發(fā)“突尖型”失速起始擾動(dòng)的先決條件，即泄漏流發(fā)生前緣溢流及尾緣反流。然而，由于軸流壓氣機(jī)、風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的多樣性，現(xiàn)有文獻(xiàn)也出現(xiàn)了不同于“模態(tài)型”、“突尖型”的失速起始擾動(dòng)。DELL’ERA 等[7]發(fā)現(xiàn)了一種異于“模態(tài)型”和“突尖型”的壓氣機(jī)葉根失速起始擾動(dòng)，且其類型隨轉(zhuǎn)速改變而改變。李思敏[8]、PAN 等[9]在一臺(tái)壓氣機(jī)上發(fā)現(xiàn)特征為軸對(duì)稱、起始于葉根且其形成的失速渦團(tuán)以較低轉(zhuǎn)速沿周向旋轉(zhuǎn)的失速起始擾動(dòng)，稱其為“局部喘振”。武文倩等[10]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了起始于葉根的新型失速起始擾動(dòng)并通過(guò)數(shù)值方法對(duì)該壓氣機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)起源于葉根區(qū)域，完全失速時(shí)失速渦團(tuán)以45%轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。DAY[11]、XU等[12]發(fā)現(xiàn)，漸進(jìn)型旋轉(zhuǎn)失速進(jìn)入失速狀態(tài)后，壓氣機(jī)進(jìn)入部分葉高失速，其全壓呈平緩下降；突變型旋轉(zhuǎn)失速進(jìn)入失速狀態(tài)后，壓氣機(jī)進(jìn)入全葉高失速，其全壓呈跳躍式下降。HEWKIN-SMITH[13]、孫鵬等[14]研究表明：隨著壓氣機(jī)節(jié)流，葉頂泄漏流與主流的軸向動(dòng)量比逐漸增大，泄漏流逐漸溢出前緣，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。文獻(xiàn)[15-18]研究了徑向渦流與葉頂泄漏流相互作用引發(fā)失速的發(fā)生機(jī)制，發(fā)現(xiàn)角區(qū)分離并不是觸發(fā)風(fēng)機(jī)失穩(wěn)的直接因素，但分離產(chǎn)生的徑向渦流造成了葉頂下游堵塞，推動(dòng)泄漏流溢出前緣，間接觸發(fā)壓氣機(jī)流動(dòng)失穩(wěn)。綜上，壓氣機(jī)的失速首發(fā)部位主要位于端區(qū)：一種由葉尖端區(qū)的泄漏流觸發(fā)，另一種由葉根端區(qū)的徑向渦流觸發(fā)。針對(duì)葉尖失速，已基于大量研究達(dá)成共識(shí)，即由“突尖型”失速起始擾動(dòng)誘發(fā)，而關(guān)于葉根失速機(jī)理的研究還較少，但葉根失速可能同樣影響壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。

筆者通過(guò)數(shù)值模擬不同軸向間距下對(duì)旋風(fēng)機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)，揭示不同軸向間距下風(fēng)機(jī)的失速起始與發(fā)展機(jī)理，可為優(yōu)化對(duì)旋風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及提高其運(yùn)行穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

筆者以FBCDZ-10-No20 型礦用對(duì)旋風(fēng)機(jī)(下文簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī))為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)工況流量為75 m3/s，前、后級(jí)葉片數(shù)分別為19、17，輪轂比為0.62，葉頂間隙為2 mm，葉片軸向弦長(zhǎng)225 mm，兩級(jí)葉輪額定轉(zhuǎn)速為980 r/min，圖1 為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。張永建等[19]研究表明：軸向間距合理的選擇范圍約為0.3～1.0 倍軸向弦長(zhǎng)。據(jù)此，筆者選取70、100、140、170 和225 mm 共5 種軸向間距，研究軸向間距的變化對(duì)風(fēng)機(jī)失速性能的影響。

圖1 對(duì)旋風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the contra-rotating fan

將風(fēng)機(jī)全流道劃分為4 個(gè)計(jì)算域，即集流器、一級(jí)動(dòng)葉、二級(jí)動(dòng)葉、擴(kuò)散器，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2 所示，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，就本文所考察的5 種軸向間距，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)均在6.5×106左右。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

采用對(duì)逆壓梯度流動(dòng)預(yù)測(cè)性能良好的SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型[20]，非定常計(jì)算時(shí)采用隱式雙時(shí)間步推進(jìn)法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 3 s，即在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)葉輪轉(zhuǎn)過(guò)1.8°。

2.2 邊界條件設(shè)置

分別將風(fēng)機(jī)集流器的進(jìn)口和擴(kuò)散器的出口作為計(jì)算域進(jìn)、出口邊界，進(jìn)口給定總壓，相對(duì)總壓值為0；出口采用靜壓邊界條件；假設(shè)進(jìn)口為軸向均勻進(jìn)氣，壁面采用無(wú)滑移邊界條件；模擬過(guò)程中通過(guò)逐步提高出口靜壓的方法逼近失速工況。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為了探究風(fēng)機(jī)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)規(guī)律，在前級(jí)葉輪的6 個(gè)葉片通道內(nèi)分別設(shè)置了如圖3 所示的3 個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)M11、M12 和M13，它們沿軸向、徑向分別位于葉根50%軸向弦長(zhǎng)截面的10%、50%和90%葉高處，沿周向位于相鄰兩葉片的中間截面。在后級(jí)葉輪的6 個(gè)葉片通道內(nèi)也分別設(shè)置了3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)M21、M22 和M23，相對(duì)位置與前級(jí)相同。

圖3 前級(jí)葉輪通道內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置Fig.3 Monitoring points arrangement in the front impeller

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 軸向間距對(duì)于風(fēng)機(jī)全壓特性的影響

圖4 所示為不同軸向間距時(shí)的風(fēng)機(jī)全壓特性曲線，圖中曲線上的橢圓標(biāo)記點(diǎn)為失速起始點(diǎn)。

圖4 全壓特性曲線Fig.4 Performance curves of total pressure

從圖4 可以看出，當(dāng)流量大于62.5 m3/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)的全壓隨著軸向間距的增大而增大；當(dāng)流量小于62.5 m3/s 時(shí)，特性曲線隨軸向間距的變化規(guī)律出現(xiàn)差異，對(duì)于較小的兩種間距，近失速點(diǎn)處的全壓并非峰值，到達(dá)完全失速階段全壓僅出現(xiàn)輕微、緩慢下降；而對(duì)于較大的3 種間距，全壓上升至最高點(diǎn)后會(huì)急劇下降。而且隨著軸向間距的增大，風(fēng)機(jī)的失速臨界流量逐漸增大，當(dāng)軸向間距增至170 mm 后，軸向間距對(duì)于失速起始流量的影響已很小，軸向間距為170 mm 與225 mm 時(shí)的失速起始流量基本重合。據(jù)此可以推斷，軸向間距對(duì)風(fēng)機(jī)的失速性能可能具有顯著影響。

3.2 不同軸向間距下的風(fēng)機(jī)失速過(guò)程

3.2.1 軸向間距70 mm

圖5 為近失速工況兩級(jí)葉輪不同葉高截面的速度矢量，圖6 為近失速工況兩級(jí)葉輪葉頂流線及不同軸向截面的靜熵云圖。由圖5a 可知，兩級(jí)葉根通道流動(dòng)狀況較好，并未出現(xiàn)明顯的流動(dòng)分離。如圖5b 及圖6 所示，前級(jí)葉頂泄漏流出現(xiàn)明顯的前緣溢流及尾緣反流，前緣溢出的流體使吸力面前緣附近的熵值增大，部分溢出流體在主流的帶動(dòng)下沿通道向下游發(fā)展，但在尾緣附近受到強(qiáng)逆壓梯度的影響，出現(xiàn)明顯的反流，反流涌向相鄰葉片的壓力面前緣，導(dǎo)致該區(qū)域流動(dòng)損失增大；而此時(shí)，后級(jí)僅出現(xiàn)輕微的前緣溢流，且其流線扭曲程度不及前級(jí)，所以整體流動(dòng)損失略低于前級(jí)。結(jié)合文獻(xiàn)[21]，此間距下風(fēng)機(jī)的失速起始擾動(dòng)類型屬于“突尖型”，與VO 等[6]提出的失速起始擾動(dòng)特征相吻合。

圖5 不同葉高截面的速度矢量Fig.5 Velocity vectors at different spanwise sections

圖7 為失速發(fā)展及完全失速階段不同時(shí)刻兩級(jí)葉輪軸向截面(z=1.85 m 和z=1.65 m)的靜熵分布，兩個(gè)軸向截面分別位于前、后級(jí)葉輪的50%軸向弦長(zhǎng)處，截面靜熵分布能夠更好地反映所在級(jí)的流動(dòng)損失情況。如圖7a、圖7c 所示，兩級(jí)葉頂區(qū)域均產(chǎn)生了整周的高熵區(qū)，此時(shí)流動(dòng)損失較小，通道的絕大部分葉高依然能夠正常流動(dòng)。如圖7b、圖7d 所示，在完全失速階段，兩級(jí)各通道葉頂流場(chǎng)進(jìn)一步惡化，高熵區(qū)已沿徑向自葉頂延伸至約70%葉高處，相比之下，前級(jí)高熵區(qū)較大且分布更加不均，該間距下風(fēng)機(jī)維持此狀態(tài)進(jìn)入多渦團(tuán)部分葉高失速。

圖8 為完全失速階段兩級(jí)葉輪相同時(shí)刻不同葉高截面的軸向速度云圖。由于風(fēng)機(jī)模型的軸線與z軸重合但進(jìn)氣方向與z軸相反，所以反流區(qū)的速度值為正值。由圖可知，兩級(jí)葉頂區(qū)域幾乎完全被堵塞，由葉頂泄漏流引發(fā)的反流占據(jù)了各通道70%葉高以上區(qū)域，且反流區(qū)的速度隨著葉高的降低而減小，即堵塞隨葉高降低而減輕。各通道70%葉高以下區(qū)域流動(dòng)正常，已基本不受失速渦團(tuán)的影響。

圖8 不同葉高截面的軸向速度Fig.8 Axial velocity at different spanwise sections

圖9 為兩級(jí)葉輪各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的靜壓隨時(shí)間的變化情況，圖中橫坐標(biāo)單位為葉輪旋轉(zhuǎn)周期，為使壓力信號(hào)便于觀察，將所得數(shù)據(jù)適當(dāng)平移，下文此類圖的處理方式與此相同。由圖可知，軸向間距為70 mm時(shí)，“突尖型”失速起始擾動(dòng)首先出現(xiàn)于前級(jí)葉頂區(qū)域，經(jīng)過(guò)0.25 T 后，后級(jí)葉頂也出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，且前級(jí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)程度強(qiáng)于后級(jí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，這是因?yàn)楹蠹?jí)流場(chǎng)的失速起始擾動(dòng)是在前級(jí)擾動(dòng)誘發(fā)下產(chǎn)生的，這也解釋了圖5 中為何后級(jí)僅出現(xiàn)輕微前緣溢流現(xiàn)象。另外，從徑向上看，完全失速階段兩級(jí)葉頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)程度均更加劇烈，而葉中及葉根監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擾動(dòng)程度次之，這表明失速渦團(tuán)先、后產(chǎn)生于兩級(jí)葉頂區(qū)域，并對(duì)葉中區(qū)域產(chǎn)生輕微影響，與圖8 相一致。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)靜壓隨時(shí)間的變化Fig.9 Time-variation of static pressure at monitoring points

軸向間距為100 mm 時(shí)風(fēng)機(jī)的失速過(guò)程與70 mm 間距時(shí)基本一致，不同的是100 mm 間距時(shí)風(fēng)機(jī)前級(jí)在7.9 T 便進(jìn)入失速，且由于兩級(jí)之間軸向間距的增大，動(dòng)-動(dòng)干涉效應(yīng)減弱，使前級(jí)產(chǎn)生的失速起始擾動(dòng)需要更長(zhǎng)時(shí)間(0.6 T)才能傳播至后級(jí)。另外，兩級(jí)葉頂反流區(qū)沿徑向的影響范圍也有所減小，即自葉頂影響至約80%葉高處，80%葉高以下區(qū)域基本不受失速渦團(tuán)的影響。

3.2.2 軸向間距140 mm

圖10 為近失速工況兩級(jí)葉輪不同葉高截面的速度矢量圖。由圖10a 可知，后級(jí)葉根區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的流動(dòng)分離，分離起始點(diǎn)接近葉片尾緣，沿周向的影響范圍約占各通道的1/3，此時(shí)分離造成尾緣局部區(qū)域堵塞，分離損失較??；前級(jí)葉根區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)較好。由圖10b 可知，前級(jí)葉頂區(qū)域依然存在因小部分泄漏流引起的前緣溢流，大部分泄漏流隨主流順利流出通道，從而引起前級(jí)前緣葉頂僅發(fā)生輕微堵塞，同樣在主流的推動(dòng)下，此時(shí)尾緣反流現(xiàn)象已不明顯；后級(jí)葉頂整體流動(dòng)狀態(tài)較好。

圖10 不同葉高截面的速度矢量Fig.10 Velocity vectors at different spanwise sections

圖11、圖12 分別給出失速發(fā)展及完全失速階段不同時(shí)刻前、后級(jí)軸向截面(z=1.85 m、z=1.60 m)的靜熵云圖。由圖11a、圖12a 可知，在設(shè)計(jì)流量下，兩級(jí)葉輪葉頂區(qū)域均存在因泄漏流引起的局部損失區(qū)，其他區(qū)域流動(dòng)順暢。如圖12b 所示，隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至近失速工況，因受失速起始擾動(dòng)的影響，后級(jí)某幾個(gè)通道葉根吸力面尾緣產(chǎn)生了徑向渦流，引起葉根出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)立的高熵區(qū)，各占3 個(gè)流道。如圖12c—圖12h 所示，后級(jí)各通道葉根的徑向渦流沿徑向逐漸增強(qiáng)，兩個(gè)對(duì)立的高熵區(qū)不斷卷吸其他流道的低能流體，從而發(fā)展壯大，此時(shí)失速渦團(tuán)已見(jiàn)雛形。如圖12h—圖12j 所示，失速渦團(tuán)雛形發(fā)展成為2 個(gè)成熟的失速渦團(tuán)，其分別占據(jù)約2 個(gè)葉片通道的80%葉高以下區(qū)域，其他流道流動(dòng)有所恢復(fù)。如圖11b所示，近失速工況前級(jí)葉頂區(qū)域的泄漏流動(dòng)稍有增強(qiáng)，使得前級(jí)葉頂整周的高損失區(qū)稍有擴(kuò)大。如圖11c 所示，前級(jí)葉頂區(qū)域整周高熵區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，影響范圍已自葉頂擴(kuò)展至約90%葉高處，但其影響范圍相比較小兩種間距再次減小，究其原因可能是軸向間距的增大，引起后級(jí)葉根流動(dòng)分離加重，使后級(jí)葉根出現(xiàn)堵塞，從而迫使氣流通過(guò)葉頂區(qū)域流出通道，加速了葉頂氣流速度，減輕了葉頂區(qū)域負(fù)荷，使得完全失速階段的葉頂高熵區(qū)減小，風(fēng)機(jī)維持此狀態(tài)進(jìn)入完全失速階段。

圖11 前級(jí)葉輪的靜熵分布Fig.11 Static entropy distribution in the front impeller

圖12 后級(jí)葉輪的靜熵分布Fig.12 Static entropy distribution in the rear impeller

圖13 為完全失速階段兩級(jí)葉輪同一時(shí)刻不同葉高截面的軸向速度分布，由圖13i—圖13d 可知，2個(gè)對(duì)立的反流區(qū)隨著葉高的增加，強(qiáng)度、范圍逐漸減小，在通道80%葉高以上區(qū)域受葉根兩個(gè)失速渦團(tuán)的影響已十分輕微。由圖13a—圖13c 可知，葉頂區(qū)域由泄漏流引起的前級(jí)反流區(qū)隨葉高降低，不斷減小，在90%葉高左右消失。葉根與葉頂?shù)姆戳鲄^(qū)并未產(chǎn)生交匯，此間距下風(fēng)機(jī)進(jìn)入部分葉高雙渦團(tuán)失速，即失速渦團(tuán)數(shù)為2 個(gè)但并未占據(jù)全葉高。

圖13 不同葉高截面的軸向速度Fig.13 Axial velocity at different spanwise sections

圖14 為兩級(jí)葉輪各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓隨時(shí)間的變化情況。由圖14 可知，在風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)至7.25 T 時(shí)后級(jí)葉根首先出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，而后經(jīng)過(guò)0.75 T，前級(jí)葉頂區(qū)域也出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，該擾動(dòng)比后級(jí)葉頂?shù)拿}動(dòng)紊亂，原因在于前級(jí)葉頂各流道均存在失速擾動(dòng)，而后級(jí)失速擾動(dòng)僅出現(xiàn)在4 個(gè)流道。前級(jí)葉中及葉根的脈動(dòng)幅值明顯比100 mm 間距時(shí)小，原因在于葉頂失速渦團(tuán)的影響范圍已縮減為葉頂至90%葉高，其對(duì)于葉中區(qū)域的影響已經(jīng)很小。結(jié)合圖10，前級(jí)葉頂失速起始擾動(dòng)的特征僅符合VO 等[6]提出的前緣溢流條件，但并未出現(xiàn)尾緣反流，表明此時(shí)前級(jí)葉頂?shù)氖倨鹗紨_動(dòng)已十分微弱，不足以形成完整的“突尖型”失速起始擾動(dòng)。由圖14b 可知，從徑向上看，后級(jí)不同葉高監(jiān)測(cè)點(diǎn)均能監(jiān)測(cè)到失速渦團(tuán)的存在且脈動(dòng)幅值自葉根至葉頂逐漸減小，葉頂區(qū)域已非常小，說(shuō)明此間距下后級(jí)葉根區(qū)域首先出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，并逐漸影響至葉頂區(qū)域，結(jié)合擾動(dòng)特點(diǎn)以及流場(chǎng)情況，該失速起始擾動(dòng)特征與文獻(xiàn)[9]提出的“局部喘振型”失速起始擾動(dòng)的特征相符。

3.2.3 軸向間距170 mm

圖15 為近失速工況兩級(jí)葉輪不同葉高截面的速度矢量。由圖15a 可知，后級(jí)葉根吸力面尾緣區(qū)域出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，并伴有角區(qū)分離，此時(shí)分離起始點(diǎn)已前移至后級(jí)葉中弦長(zhǎng)附近且沿周向的分離影響范圍已占據(jù)各通道的2/3。此分離會(huì)造成低能流體在葉根區(qū)域堆積，而后又在強(qiáng)逆壓梯度和離心力的作用下，形成沿吸力面尾緣上升的徑向渦流；而前級(jí)葉片通道內(nèi)的流動(dòng)整體較為通暢。由圖15b 可知，兩級(jí)葉頂區(qū)域均未出現(xiàn)失速起始擾動(dòng)，原因與140 mm間距類似，但此時(shí)后級(jí)葉根的分離更加嚴(yán)重，使葉頂流動(dòng)得到充分改善，流速加快。

圖15 不同葉高截面的速度矢量Fig.15 Velocity vectors at different spanwise sections

由于此時(shí)軸向間距較大，動(dòng)-動(dòng)干涉效應(yīng)較弱，失速起始擾動(dòng)僅在后級(jí)葉根區(qū)域產(chǎn)生，已無(wú)法影響至前級(jí)，因此成熟失速渦團(tuán)僅在后級(jí)形成，其形成過(guò)程基本與140 mm 間距時(shí)后級(jí)的情況類似，所不同的是，140 mm 間距時(shí)成熟失速渦團(tuán)數(shù)目為2 個(gè)；而170 mm 間距時(shí)成熟失速渦團(tuán)僅有1 個(gè)。圖16 給出完全失速階段兩級(jí)葉輪相同時(shí)刻不同葉高截面的軸向速度圖。由圖16a—圖16e 可知，由徑向渦流導(dǎo)致的級(jí)間反流隨著葉高的增大，逐漸減弱，在通道90%葉高以上區(qū)域受失速渦團(tuán)的影響已經(jīng)較小。由圖16e—圖16f 可知，隨著葉高的增加，由泄漏流引起的反流區(qū)不斷增大，兩種不同成因的反流區(qū)在葉頂交匯，使得風(fēng)機(jī)進(jìn)入全葉高單渦團(tuán)失速，即失速渦團(tuán)數(shù)目為1 個(gè)且其占據(jù)全葉高。

圖16 不同葉高截面的軸向速度Fig.16 Axial velocity at different spanwise sections

軸向間距為170 mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)后級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示的失速起始擾動(dòng)特征與140 mm 間距時(shí)基本一致，但后級(jí)整體進(jìn)入失速的時(shí)間再次縮短，即在第7 T 開(kāi)始便進(jìn)入失速，且失速起始擾動(dòng)僅出現(xiàn)在后級(jí)。由圖15a和圖16 推斷，間距為170 mm 時(shí)，失速起始擾動(dòng)的類型仍為“局部喘振型”，此間距下前級(jí)已基本不受后級(jí)失速渦團(tuán)的影響。因此，結(jié)合圖4 和計(jì)算結(jié)果可得，將軸向間距增至225 mm 時(shí)，其失速過(guò)程與170 mm間距類似。

3.3 軸向間距對(duì)失速起始擾動(dòng)類型的影響

圖17、圖18 分別為失速起始時(shí)刻兩級(jí)葉片吸力面的流線分布。由圖17 可見(jiàn)，隨著軸向間距的增大，前級(jí)葉頂由“突尖型”失速起始擾動(dòng)引起的堵塞逐漸減輕，最終僅存在局部葉頂泄漏流動(dòng)，幾乎無(wú)明顯堵塞；前級(jí)均存在輕微的尾緣分離，引起的分離損失很小，該分離對(duì)失速的影響也很小。由圖18 可知，隨著軸向間距的增大，后級(jí)葉根由角區(qū)分離引起的堵塞逐漸加重，當(dāng)間距增至170 mm 時(shí)，分離起始點(diǎn)及分離高度基本保持穩(wěn)定；后級(jí)葉頂僅在70 mm 間距時(shí)存在泄漏流引起的反流區(qū)，其余間距下泄漏流基本能夠順利流出通道，但在前緣流速較慢。綜上所述，隨著軸向間距的增大，前級(jí)葉頂區(qū)域的“突尖型”失速起始擾動(dòng)逐漸減弱，當(dāng)其不再形成堵塞區(qū)時(shí)，失速起始擾動(dòng)類型將發(fā)生轉(zhuǎn)變，即由兩級(jí)葉頂泄漏流誘發(fā)的“突尖型”轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠹?jí)葉根徑向渦流誘發(fā)的“局部喘振型”。

圖17 前級(jí)葉片吸力面流線Fig.17 Streamlines on suction surface of the front impeller

圖18 后級(jí)葉片吸力面流線Fig.18 Streamlines on suction surface of the rear impeller

4 結(jié) 論

1）軸向間距對(duì)風(fēng)機(jī)失速起始擾動(dòng)具有顯著影響。當(dāng)軸向間距為70 mm 時(shí)，失速起始擾動(dòng)首發(fā)于前級(jí)葉頂，并逐漸發(fā)展至后級(jí)，而隨著軸向間距的增大，其對(duì)后級(jí)的影響程度逐漸減弱。當(dāng)間距增至140 mm時(shí)，失速起始擾動(dòng)首發(fā)于后級(jí)葉根，前級(jí)葉頂擾動(dòng)導(dǎo)致的堵塞已很小，當(dāng)間距增至170 mm 時(shí)，前級(jí)葉頂已基本沒(méi)有堵塞。

2）軸向間距影響失速起始擾動(dòng)的類型。隨著軸向間距的增大，兩級(jí)葉頂區(qū)域由泄漏流引起的堵塞逐漸減弱，后級(jí)葉根區(qū)域由角區(qū)分離引起的堵塞逐漸增強(qiáng)；兩級(jí)葉頂泄漏流對(duì)失速過(guò)程的影響逐漸減弱，后級(jí)葉根吸力面的徑向渦流逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，失速起始擾動(dòng)逐漸向后級(jí)遷移，擾動(dòng)類型也由前級(jí)泄漏流誘發(fā)的“突尖型”轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊蠹?jí)角區(qū)分離誘發(fā)的“局部喘振型”。

3）軸向間距影響葉片通道內(nèi)失速渦團(tuán)的類型。當(dāng)軸向間距為70、100、140 mm 時(shí)，失速渦團(tuán)類型為多渦團(tuán)部分葉高失速，而當(dāng)軸向間距為170、225 mm時(shí)，失速渦團(tuán)類型則為單渦團(tuán)全葉高失速。