侯志泉, 楊明智, 梁習(xí)鋒, 溫殿忠

(1.中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075； 2.株洲聯(lián)誠集團有限責(zé)任公司 湖南省軌道裝備冷卻工程中心, 湖南 株洲 412000； 3.中國航空工業(yè)集團公司608研究所, 湖南 株洲 412002)

0 引 言

斜流風(fēng)機的葉輪輪轂為圓錐形，是一種氣體由軸向進入、沿葉輪傾斜方向?qū)С?、?jīng)風(fēng)筒轉(zhuǎn)折后從軸向排出的一類風(fēng)機[1]。因其兼具軸流風(fēng)機高效率、離心風(fēng)機高壓增特點，在軌道交通領(lǐng)域逐步獲得應(yīng)用[2]。隨著電力機車向高速大功率、高可靠性、輕量化方向發(fā)展以及機車的大批量列裝，迫切需要通風(fēng)機行業(yè)具備快速設(shè)計和制造高性能斜流風(fēng)機的能力。然而，斜流風(fēng)機的大量需求與其設(shè)計理論的發(fā)展并不匹配。現(xiàn)有斜流風(fēng)機或斜流葉輪的設(shè)計理論主要集中在高轉(zhuǎn)速、高壓比和氣體可壓縮的航空發(fā)動機、壓縮機等應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)于低轉(zhuǎn)速、氣體不可壓縮工況斜流風(fēng)機的工程設(shè)計方法偏少，且日趨難以滿足軌道交通領(lǐng)域風(fēng)機產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展需求。

斜流葉輪因其獨特的性能優(yōu)勢受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[3-5]。如吳克啟等[3]采用準三元設(shè)計方法，在子午面上通過求解沿準正交的平衡方程式計算子午流場，采用Schliching奇點法修正NACA翼型，斜流風(fēng)機的試驗效率高達91%。鑒于求解沿準正交的平衡方程式計算子午流場的準三元設(shè)計法計算較復(fù)雜，且難以適應(yīng)斜流葉輪的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外多采用斜流泵、壓縮機的理論與CFD軟件相結(jié)合設(shè)計斜流葉輪[6-9]。文獻[6] 綜合考慮葉片間軸向距離，擴散筒角度，擴散面積比，擴散筒長度等參數(shù)，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用CFD優(yōu)化原混流泵，效率提高了9.75%。文獻等[10]依據(jù)準三元流動理論設(shè)計直升機用斜流風(fēng)機，采用葉片徑向平衡方程和約束條件求解子午面速度。風(fēng)機具有效率高，靜壓高特點。該方法計算較復(fù)雜且不易掌握，難以在民用斜流風(fēng)機行業(yè)推廣使用。

現(xiàn)有離心風(fēng)機和軸流風(fēng)機的設(shè)計理論不能完全適用于斜流風(fēng)機的設(shè)計開發(fā)。PAUL教授[11]采用不同的設(shè)計理論和不同的葉型設(shè)計了斜流風(fēng)機。結(jié)果三種葉片風(fēng)機性能僅僅達到設(shè)計工況點， Pfleiderer葉片效率最高，但卻與設(shè)計最高點不吻合。文獻[12]采用壓縮機的通流法進行了斜流風(fēng)機的初步設(shè)計，采用三維CFD進行模擬優(yōu)化仿真，流量、壓力和噪聲均達到原混流風(fēng)機要求，新風(fēng)機的氣動效率提高了近10%。

本文采用風(fēng)機工程設(shè)計與CFD仿真相結(jié)合的方法，優(yōu)化設(shè)計高效斜流風(fēng)機。通過初步設(shè)計斜流風(fēng)機和優(yōu)化斜流風(fēng)機子午流道，設(shè)計三種不同葉片角度的斜流葉輪，進一步數(shù)值仿真對比三種情況下動葉、靜葉在S1流面不同葉高的壓力分布、流動跡線和氣動性能，指出了葉片流場與風(fēng)機效率之間的內(nèi)在聯(lián)系。最后，通過試驗驗證了風(fēng)機的氣動性能。

1 斜流風(fēng)機設(shè)計

1.1 工程設(shè)計

根據(jù)機車內(nèi)部幾何空間要求，確定斜流風(fēng)機的外徑和高度，以及動葉片和靜葉片的空間位置。根據(jù)通風(fēng)機性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法和步驟[1]，初步計算斜流風(fēng)機動葉進、出口面積，靜葉進、出口面積，動葉進、出口速度、扭轉(zhuǎn)速度，動葉進、出口角，靜葉進、出口角等關(guān)鍵參數(shù)。斜流風(fēng)機的子午流面，如圖1所示。

圖1 斜流風(fēng)機子午流道Fig.1 Meridional flow of diagonal flow fan

氣流轉(zhuǎn)折角選擇。氣流角的選擇依據(jù)是葉珊的正常特性線[13]。選擇合適的氣流迎角，意味著葉珊在擴壓過程中的損失最低。一定程度上，氣流轉(zhuǎn)折角也決定了扭轉(zhuǎn)速度。

葉片數(shù)量選擇。根據(jù)軸流風(fēng)機的設(shè)計理論選擇最佳葉輪葉片數(shù)目[1]。斜流風(fēng)機葉輪的葉片數(shù)目參照葉片數(shù)目與輪轂比之間的匹配關(guān)系選取。靜葉的葉片數(shù)量與動葉的葉片數(shù)量互質(zhì)。

葉片氣動力計算。采用速度三角形計算斜流葉輪葉片的氣流角時，計算依據(jù)是等環(huán)量設(shè)計方法，即沿葉片高度方向，氣流軸向速度為常數(shù)。

選擇葉片基本幾何參數(shù)和性能參數(shù)時，需要考慮的約束條件[14]，如下式所示：

(1)

式中，σ為弦節(jié)比；γ為葉片安裝角，°；N為葉片數(shù)；φ為流線傾角，°；r1為葉片進口半徑，r2為葉片出口半徑，mm。

根據(jù)一維計算結(jié)果，動葉進口角、出口角，靜葉進口角，流道面積均已確定。動、靜葉之間的軸向間隙為56 mm，動葉和靜葉均無徑向間隙。

S2設(shè)計方法是將準三元流動降解為子午流面和回轉(zhuǎn)流面相互疊加的簡化設(shè)計方法，常用于航空渦輪壓氣機工程設(shè)計。計算時，該方法將風(fēng)機子午流道內(nèi)氣體流面劃分為沿流動方向和旋轉(zhuǎn)方向的數(shù)個計算節(jié)點，進而得到計算節(jié)點的氣流參數(shù)，其計算流程如圖2所示。

圖2 S2計算流程Fig.2 Calculation procedure of S2 method

在一維設(shè)計基礎(chǔ)上，采用S2設(shè)計方法進一步細化斜流風(fēng)機動葉的進、出口角，靜葉的進口角，落后角等參數(shù)[15]。計算時，主要參數(shù)為：計算棧19棧，氣體流線11線，氣動效率0.87，壓比1.040。S2計算流線，如圖3所示。

圖3 斜流風(fēng)機S2計算流線Fig.3 S2 stream line of diagonal flow fan

1.2 葉片造型

根據(jù)一維計算結(jié)果，S2計算的葉片角未出現(xiàn)較大扭曲。依據(jù)S2計算數(shù)據(jù)，進行葉片造型，其結(jié)果如圖4所示。其中，動葉為12片，靜葉為25片。

根據(jù)S2計算結(jié)果，確保動葉和靜葉的空間位置不變，適當(dāng)調(diào)整動葉的進、出口角和流道面積。僅對動葉進、出口角進行調(diào)整，優(yōu)化前、后部分幾何參數(shù)如圖5～圖6所示。

由圖可知，Case 1根部、尖部的進、出口角(絕對值)均比Case 2要大，中部的角度曲率也比Case 2高，意味著Case 1流道的進、出口面積要比Case 2小。動葉進、出口角和流道面積的差異，對斜流風(fēng)機壓力分布和氣體流動跡線以及氣動性能產(chǎn)生影響。

圖4 斜流風(fēng)機幾何模型Fig.4 Geometric view of diagonal flow fan

圖5 葉片角對比Fig.5 Compare of blade degrees

圖6 流道面積對比Fig.6 Compare of passage area

2 數(shù)值仿真方法

2.1 數(shù)值網(wǎng)格模型

采用Turbo Grid軟件劃分流體域網(wǎng)格。網(wǎng)格拓撲方法為ATM Optimized，可自動劃分單通道流體域網(wǎng)格。細化網(wǎng)格時，設(shè)置近壁面的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格尺寸，使流體域邊界網(wǎng)格逐步過渡，單通道動葉流體域和靜葉流體域的網(wǎng)格數(shù)量分別達到50萬。動葉整體網(wǎng)格和靜葉流體域網(wǎng)格如圖7所示。

2.2 數(shù)值模擬方法

采用CFX軟件模擬仿真斜流風(fēng)機的氣動性能。流體域控制方程為三維定常雷諾平均N-S方程組，采用多重網(wǎng)格耦合求解技術(shù)離散方程組，所用離散差

圖7 風(fēng)機流體域計算網(wǎng)格Fig.7 Computational fluid domain of the fan

分格式為High Resolution。湍流模型為SST方程，其離散格式為一階迎風(fēng)格式，迭代收斂殘差為1×10-5。

采用CFX-Pre軟件設(shè)置斜流風(fēng)機的邊界條件。邊界條件主要有：全壓進口，靜壓出口，參考壓力101 325 Pa，葉輪轉(zhuǎn)速3550 r/min。動葉流體域旋轉(zhuǎn)方向的兩個側(cè)面和靜葉流體域的兩個側(cè)面均設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，動葉流體域的出口面與靜葉流體域的進口面設(shè)置Interface，采用Stage方式連接，總溫293 K，固壁采用無滑移邊界條件。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 動葉流場分析

圖8為斜流風(fēng)機設(shè)計工況點Case 1和Case 2動葉S1流面10%、50%和90%葉高的靜壓分布對比。

(a) 10%葉高

(b) 50%葉高

(c) 90%葉高

通過對比發(fā)現(xiàn)，Case 1進口段吸力面的靜壓分布出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。靜壓由正壓快速下降至-2.3 kPa左右，再快速上升。而Case 2靜壓由正壓下降至-1.5 kPa左右，再緩慢增加。究其原因與Case 1進口段較大的進口角和出口角(絕對值)有關(guān)。一方面，在流道葉頂和葉尖尺寸不變情況下，較大的進口角，將降低喉道面積，降低氣體流入葉輪的能力；另一方面，較大的進口角和出口角，將增大氣流轉(zhuǎn)折角，從而加劇氣流靜壓的變化速率，使氣流靜壓出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)變。

葉片進、出口角度的變化，帶來另一個明顯特征：在Case 1 S1流面10%葉高進口段，壓力面的靜壓曲線出現(xiàn)局部震蕩。靜壓由-4 kPa上升至-1.6 kPa，再下降至-2.0 kPa。而Case 2壓力面的靜壓曲線則是一直上升。Case 1 S1流面10%葉高的靜壓震蕩，將引起氣流軌跡的變化。

圖9是斜流風(fēng)機設(shè)計點Case 1和Case 2動葉S1流面10%，50%和90%葉高的氣體流動跡線對比。

(a) 10%葉高

(b) 50%葉高

(c) 90%葉高

對比三組圖可知，Case 1和Case 2流面在50%葉高和90%葉高，各個流線之間沒有出現(xiàn)交匯，基本為層流流動。而Case 1 S1流面在5%沿葉高位置出現(xiàn)明顯渦流。氣流由負迎角進入葉片前緣，沿其切向方向進入葉輪內(nèi)部，與葉片形狀一起構(gòu)成渦流空間。其原因極與葉片根部進、出口角過大和葉片中部角度與葉片尾緣角度的差距過大有關(guān)。

3.2 靜葉流場分析

圖10為斜流風(fēng)機設(shè)計點Case 1和Case 2靜葉S1流面10%、50%和90%葉高的靜壓分布對比。

(a) 10%葉高

(b) 50%葉高

(c) 90%葉高

三組圖之間的共同特點是：隨著弦長增加，Case 1壓力面和背力面的靜壓曲線變化比較平緩，而Case 2的靜壓曲線變化略微偏大。造成壓力曲線基本一致的原因，是由于兩種計算案例所使用的靜子模型一致的緣故。兩條曲線沒有完全重合的原因是靜子與轉(zhuǎn)子幾何參數(shù)角度的匹配程度有關(guān)。

圖11為斜流風(fēng)機設(shè)計工況點Case 1和Case 2靜葉S1流面10%、50%和90%葉高的氣體流動跡線對比。由圖可知，受靜壓分布的影響，兩種計算案例下，氣流在各所示葉高的S1流面基本呈層流流動。其差別在于，在Case 1 S1流面10%、50%和90%葉高尾緣，氣體出流落后角比Case 2的落后角略大。這與Case 1靜壓的梯度有關(guān)。

(a) 10%葉高

(b) 50%葉高

(c) 90%葉高

3.3 風(fēng)機性能分析

由于Case 1 S1流面的5%葉高部位出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，增加一種計算案例予以說明。即減小Case 1葉輪的進、出口角，同時適當(dāng)調(diào)整流道。其根部進口角由-70°變?yōu)?60°，出口角改為-45°；尖部進口角調(diào)整為-50°，出口角增為-42°。調(diào)整之后的Case 3，動、靜葉的靜壓分布和流動跡線與Case 2相近。新增計算案例Case 3的部分幾何參數(shù)如圖12所示。

圖12 Case 3 進出口角和流道面積Fig.12 Beta degree and passage area

圖13給出了計算案例的壓力-流量曲線對比。按照設(shè)計要求，壓力為4300 Pa時，流量為1.8m3/s。顯然，滿足壓力要求時，Case 1流量約為1.6 m3/s, 低于設(shè)計要求；Case 2約為2.2 m3/s, Case 3約為 2.0 m3/s，其誤差在5%的許用誤差范圍內(nèi)，能滿足設(shè)計要求。

圖13 三種情況的壓力比較Fig.13 Pressure comparison among three cases

圖14給出了三種計算案例的壓力-效率曲線對比。在給定的壓力范圍內(nèi)，Case 1的效率曲線變化較為平緩，但基本呈下降趨勢。Case 2和Case 3的效率曲線呈拋物線形式，最高效率點在4500 Pa附近。顯然，Case 1的效率曲線基本低于Case 2和Case 3。在設(shè)計壓力工況點，Case 1的計算效率約為0.80，而Case 2和Case 3基本維持在0.86附近。

圖14 三種情況的效率比較Fig.14 Efficiency comparison among three cases

滿足設(shè)計壓力前提下，Case 1流量和效率偏低的原因是：葉片前緣的進口角和尾緣的出口角過大，一方面引起子午流道喉部的面積偏小，引起流量的下降；另一方面，較大的進口角，提高了氣流迎角。加上中部角度與后緣角度差距較大，在葉片根部形成渦流，導(dǎo)致氣流損失增加，降低斜流風(fēng)機的氣動效率。

降低或消除因進口負沖角過大造成的氣體渦流，實現(xiàn)途徑是改變進氣條件或者是修正葉片進口角度。文中將Case 1葉根進口角70°和葉尖進口角60°(絕對值)，分別下降為Case 2的52°和45°，或者是Case 3的60°和50°，同時調(diào)整尾緣的角度和中部葉片角度，在5%和90%葉高截面，沒有發(fā)現(xiàn)渦流情況。

需要指出的是，Case 2和Case 3的主要幾何參數(shù)差別是葉片的進口角，Case 3的進口角比Case 2高約5°～8°，進口角的差別引起了進口流道面積的改變。然而，這種幾何差別，給斜流風(fēng)機氣動性能帶來的影響卻比較有限。在設(shè)計工況點，流量相差0.2 m3/s，氣動效率基本不變，但Case 2的效率曲線更寬，表明Case 2 在較大的壓力范圍內(nèi)，依然具有較高的氣動效率。

4 風(fēng)機性能驗證

斜流風(fēng)機的試驗依據(jù)是2000年國家頒布的《工業(yè)通風(fēng)機-用標(biāo)準化風(fēng)道進行性能試驗》-GB/T1236[16]。試驗所用儀器主要包括：大氣壓力傳感器，規(guī)格為Druck型，精度±0.25%；溫度傳感器，規(guī)格為Rotronic型，最小刻度0.1°C；數(shù)字式轉(zhuǎn)速表，型號為PAX1000，刻度為1.0 r/min；流量計為微差壓變送器，規(guī)格為Setra型，精度±0.5%等。試驗所用的斜流葉輪和試驗裝置如圖15所示。

圖16給出了斜流風(fēng)機試驗測試與理論計算的流量-壓力對比。在給定的流量范圍內(nèi)，理論值與實驗值基本吻合。在同一流量點附近，斜流風(fēng)機計算壓力值與試驗值最大相差150 Pa，占全壓值3%。

圖15 斜流葉輪及試驗裝置Fig.15 Diagonal impeller and test device

圖16 仿真與試驗的壓力對比Fig.16 Pressure comparison between simulation and test

圖17給出了斜流風(fēng)機試驗測試與理論計算的流量-效率對比。在給定的流量范圍內(nèi)，理論值與實驗值的差距在可接受范圍。在同一流量點附近，斜流風(fēng)機計算效率值與試驗值最大相差0.03，占總效率值4%。

圖17 仿真與試驗的效率對比Fig.17 Efficiency comparison between simulation and test

5 結(jié) 論

本文采用通風(fēng)機工程設(shè)計方法和S2流道計算方法，設(shè)計了一種機車用斜流風(fēng)機。仿真分析了三種案例動、靜葉S1流面在5%、50%和90%葉高的壓力分布和流動跡線，優(yōu)化出葉片的幾何角度和流道面積，得到了一種高效斜流風(fēng)機，并通過試驗驗證了風(fēng)機的性能。其結(jié)論如下：

1) 仿真與試驗對比結(jié)果表明，在同一流量點附近，斜流風(fēng)機計算壓力值與試驗值最大相差150 Pa，占全壓值3%；計算效率值與試驗值最大相差0.03，占效率值4%；仿真計算與試驗測試結(jié)果一致。

2) 性能仿真結(jié)果對比表明，對于該斜流風(fēng)機，葉片進、出口角增加8°～10°，同時降低葉片中部與尾緣角度差距，風(fēng)機效率提高近5%；葉片進口角增至一定范圍(-60°～-50°)，改變?nèi)~片角，對氣動效率的影響不顯著，但影響風(fēng)機流量和效率分布曲線。

3) 內(nèi)流場數(shù)值結(jié)果表明，增加葉片進、出口角度和減小葉片中部角度與尾緣角度差距，將改變流道面積和氣流迎角，明顯改善葉片背力面和吸力面靜壓載荷分布和氣流跡線，降低或消除S1流面在不同葉高位置的渦流現(xiàn)象，利于提高氣動效率。

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