呂云鵬 巫少龍 趙志剛 金鑫君 朱鄭喬若

摘?要：本文研究了葉片上弦差對軸流風機性能的影響，首先用SST湍流模型分別模擬了上弦差為45mm、50mm、55mm和60mm時，軸流風機內部的流場特性和速度場特性，并對其進行了系統(tǒng)的分析。通過研究可發(fā)現，在臨界值內隨著葉片上弦差變大，軸流風機的靜壓值與靜壓效率都隨之變大，其中靜壓值的提升趨勢較為明顯。如果上弦差一旦超過臨界值，靜壓值并沒有很好的提升。此外，還驗證了上弦差的變化對于靜壓效率的提升并不會起到很好的效果。

關鍵詞：軸流風機;葉片上弦差;靜壓值;靜壓效率

由軸流風機工作原理可知，在風機各項結構參數中，葉片的結構對整體的氣動性能影響最大[1-2]。而軸流風機葉片的上下弦差會從根本上對風機的性能產生影響，所以，軸流風機的設計項目中，葉片的上下弦差的設計效果起著至關重要的作用[3]。

葉片上弦差對于軸流風機的流道有著決定性的影響，在特定的流量范圍內，當葉片上弦差越大，軸流風機的性能越好。因此，通常研究者認為軸流風機葉片的上弦差越大越好，但是葉片上弦差增大的同時，葉片與氣流的接觸面積亦增大，導致在相同工況下對單位氣體做更多功的同時，葉片扭矩相應變大，電機所消耗的機械能也隨之增強[4-6]。因此，本文研究葉片上弦差不同對軸流風機所產生的相對應流場進行研究，相信能給其在結構優(yōu)化上提供一個新的思路[7]。

基于這一新的思路，本文以某廠家正在生產的一款軸流風機作為研究目標，分別借助k-ε模型、k-ω模型及SST?模型模擬不同葉片上弦差和工況下流道中的流動特性，并進行對比研究，探討在不同葉片上弦差下，對軸流風機的性能所產生的變化趨勢，為軸流風機的結構優(yōu)化提供依據。

1?試驗方案

本次試驗是基于某通風設備有限公司的軸流風機實驗平臺進行的。風機空氣動力試驗的標準為GB/T1236-2000《工業(yè)通風機用標準化風道進行性能試驗》;試驗裝置為國家標準規(guī)定的C型試驗裝置：管道進口、自由出口，整個實驗采用進氣實驗法[8-11]。實驗平臺圖如圖1（a）所示。實驗原理圖如圖1（b）所示。

2?三維建模及網格劃分

在軸流風機的三維建模過程中，葉片模型是最重要的部分，同時也是較難建模的區(qū)域之一。本文所研究的對象為單級軸流風機，采用Solidworks建模得到軸流風機葉片模型如圖2所示，各結構的具體參數如下表所示。

繼生成軸流風機三維實體后，風機的網格由Gridgen軟件生成。同葉片實體生成部分相同，因其各流道呈周期性排列，故在建立流道這一環(huán)節(jié)應先建立單流道網格，然后利用建模軟件Gridgen中的Rotate?Copy命令生成全流道網格。如圖3（a）、圖3（b）所示分別為軸流風機葉輪單流道網格和全流道網格。

3?計算方法

本次模擬研究主要分為三個區(qū)域：入口計算域（包含集流器）、葉輪計算域以及出口計算域。三個區(qū)域中計算域以及出口計算域均為靜止，故采用靜止坐標系。而葉輪計算域是繞著葉輪的旋轉軸（Z軸）旋轉運動，故采用旋轉坐標系，轉速為-1450rad/min，其中負號為旋轉方向，根據右手定則判斷。其中靜止坐標系和旋轉坐標之間的數據交換通過設置動靜交界面來實現[12]。

邊界條件的設定包括入口條件、出口條件、壁面類型、對稱面類型、流體介質類型、環(huán)境物理條件等。根據本次實驗的研究類型，進出口分別設置為質量流量進口和壓力出口。壁面根據實驗原環(huán)境，均采用no?spill無滑移壁面。在動靜交界面處，由于本文模擬采用的是穩(wěn)態(tài)計算的方法，采用參數單純交換的“Frozen?Rotor”方法。

4?不同葉片上弦差的流動分析

葉片原有安裝角為22.5°，即上下弦差分別為50mm、60mm。現分別改變上弦差為45mm、55mm以及60mm三種，與原模型進行對比，分析其性能變化。

各弦差靜壓—流量曲線如圖4（a）所示。由圖可得，在只改動上弦差大小的情況下，隨著上弦差的增大靜壓值也隨之增大。其中在流量較小的工況段影響較小，而在額定流量周圍的區(qū)間段影響比較明顯，在大流量區(qū)間段則最為明顯。由此可見上弦差的變化確實可以引起其氣流的攻角變化，而導致整體靜壓性能的提升。針對于設計工況（7.179kg/s）下，可以看出在45mm到55mm?間隨著上弦差的增大，靜壓值隨之變大，但是在55mm到60mm間，其變化的趨勢幾乎可以忽略，且在7.179kg/s后的靜壓趨勢可以得出，在質量流量較大情況下隨著葉片上弦差的增大靜壓值并不能得到很好的提升，說明在氣流流速達到一定后，通過改變上弦差已經很難達到提升靜壓的目的。

在設計工況qm=7.179kg/s下，上弦差45mm、50mm、55mm以及60mm的整體靜壓云圖如圖5所示。其中50mm為軸流風機原葉片結構，由圖5可得，各上弦差的變化并未改變軸流風機軸向靜壓的整體趨勢，而在上弦差由45mm增大至60mm時，軸流風機的軸向靜壓值增長幅度也隨之增大，且增大的趨勢較為明顯。

而由圖5（a）可得，在葉片上弦差沿軸向變小為45mm時，軸流風機的軸向靜壓增長趨勢直接遭到了破壞，在經過葉片加速后的氣流，并未能很好的提升其靜壓能。不僅不存在圖5（c）與5（d）中的高壓區(qū)域，而且氣流經過葉片加速后的靜壓提升效果相當不明顯，相對比原葉片結構圖5（b），風機軸向的整體靜壓提升效果反而變差，這與圖4（a）所得的曲線是相符的。由此可得，針對于本研究對象，在原葉結構的基礎上，將葉片沿軸向逆時針彎曲，即減小葉片上弦差值，不會改變軸流風機的軸向靜壓趨勢，但是會破壞其原有的靜壓提升效果，導致整體的靜壓值降低。

從圖6各速度云圖來看，可以得出各弦差下的氣流軸向速度分布規(guī)律大致相同，重點的高速區(qū)域依然集中在葉頂間隙周圍區(qū)域，且隨著葉片上弦差的增大，周圍高速區(qū)域范圍也逐漸變大。葉片上弦差越大，葉頂間隙處的氣流速度越高，這說明葉片上弦差的變化，會引起葉頂間隙處二次流的變化，增大葉片上弦差導致回流速度變快，繼而增大能量損耗，反之則能減小間隙能量損耗。

將圖5與圖6一起分析加以對比風機靜壓—流量圖與風機靜壓效率—流量圖可得，減小葉片上弦差值，雖然會破壞風機整體靜壓提升趨勢，但針對于降低葉頂間隙區(qū)域的二次流損失，還是有一定的改善作用;而增大葉片上弦差值，雖然會導致葉頂間隙區(qū)域的二次流損失加劇，但可以大大增加本次研究對象的整體靜壓提升效果，在葉頂間隙損失加劇及軸功率提高的前提下，靜壓效率已然能提升大約2個百分點。

5?結論

葉片上弦差的增大一定情況下對軸流風機性能的確有較好的改善效果，在相同工況下，隨著葉片上弦差由小變大，軸流風機的靜壓值由小變大，其中在額定工況（7.179kg/s）下，上弦差為60mm時，相對于原先的50mm，靜壓值提升了41Pa，效率提升約為2個百分點，但是相對于55mm，提升卻不明顯。由此可見上弦差在一定的范圍內變化確實可以引起其氣流的攻角變化，而使整體靜壓性能的提升，但是若超越一定臨界值，靜壓性能提升不明顯。此外，本文研究表明，在相同工況下，隨著葉片上弦差由小變大，軸流風機的靜壓效率的提升并不明顯，驗證了上弦差僅適用于提升靜壓值。

本文的研究不僅驗證了SST模型在離心式風機CFD數值模擬的適用性，同時，也對將來風機的結構設計具有一定的借鑒意義。

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