（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

0 引言

隨著軸流風(fēng)機(jī)在紡織、空調(diào)、礦山通風(fēng)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)于軸流風(fēng)機(jī)本身性能與噪聲愈加關(guān)注。針對(duì)軸流風(fēng)機(jī)翼型以及葉片氣動(dòng)外形改造成為改善軸流風(fēng)機(jī)性能的一大研究課題，目前主要的研究方法包括仿生葉片及葉片彎掠等。

陳坤等[1]借鑒了雕鸮羽毛的消音機(jī)理，設(shè)計(jì)了耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化的方法，得到了具有較低氣動(dòng)噪聲的耦合仿生軸流風(fēng)機(jī)。王仲奇等[2]提出彎和扭結(jié)合概念，通過(guò)研究彎扭葉片與氣流相互作用力、邊界層徑向遷移規(guī)律及橫向二次流動(dòng)規(guī)律解釋了彎扭葉片降低能量損失的機(jī)理。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)不同“彎”“掠”結(jié)構(gòu)葉片通過(guò)測(cè)量表面靜壓與氣動(dòng)性能參數(shù)分析內(nèi)部流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)葉頂弦線彎掠可以改變吸力面邊界層遷移規(guī)律并抑制角區(qū)低動(dòng)能流體的堆積，同時(shí)可以降低葉頂損失。文獻(xiàn)[6-8]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同“彎”“掠”結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)“掠”結(jié)構(gòu)葉片可以有效控制二次流損失并且其效率、壓比和穩(wěn)定運(yùn)行范圍都有明顯提高。

上述研究表明，研究前掠結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低速軸流風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特性具有一定的工程意義，然而對(duì)于低壓軸流風(fēng)機(jī)前掠葉片的優(yōu)化研究較少。因此本文提出一種基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的等-變環(huán)量設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，為低壓軸流前掠風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 等-變環(huán)量設(shè)計(jì)氣流參數(shù)及外特性分析

1.1 等-變環(huán)量設(shè)計(jì)思路

軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法有很多，按照氣流參數(shù)沿葉片高度方向的變化規(guī)律不同，軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法可以分為等環(huán)量設(shè)計(jì)與變環(huán)量設(shè)計(jì)。等環(huán)量設(shè)計(jì)忽略占次要地位的徑向流動(dòng)，將氣流繞葉片的流動(dòng)簡(jiǎn)化為繞諸多截面不摻混的流動(dòng)；變環(huán)量設(shè)計(jì)氣流參數(shù)沿葉片高度分布不再滿足“cur=Const”的假設(shè)，通過(guò)設(shè)置變換量指數(shù)來(lái)考慮葉片氣動(dòng)參數(shù)沿葉高的變化。

等環(huán)量設(shè)計(jì)過(guò)程中須考慮葉片根部負(fù)荷因子，這是由于等環(huán)量設(shè)計(jì)的葉片根部為其主要做功區(qū)間，其他截面負(fù)荷因子必定小于其根部，因此只要根部負(fù)荷因子達(dá)到要求即可。傳統(tǒng)認(rèn)為當(dāng)葉片根部負(fù)荷較大時(shí)，若要進(jìn)一步提高級(jí)的全壓系數(shù)需要采用變環(huán)量設(shè)計(jì)。在前掠葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在根部負(fù)荷因子滿足條件的前提下若將等環(huán)量設(shè)計(jì)與變環(huán)量設(shè)計(jì)相結(jié)合可以進(jìn)一步改變?nèi)~片的氣動(dòng)外形，將葉片60%葉高以下的非前掠部分采用等環(huán)量設(shè)計(jì)方法，60%葉高以上的前掠部分采用變環(huán)量設(shè)計(jì)方法。采用等-變環(huán)量設(shè)計(jì)方法增大了葉片各截面的弦長(zhǎng)，優(yōu)化了葉片氣動(dòng)外形，略微優(yōu)化葉片負(fù)荷，增加了葉片的做功能力。

1.2 建模及數(shù)值計(jì)算方法

按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算后繪制計(jì)算模型，葉片設(shè)計(jì)參考翼型為L(zhǎng)S翼型，利用SCDM軟件進(jìn)行建模，并截取其中3個(gè)不同葉高的截面如圖1所示，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 前掠葉片型線

表1 葉片型線參數(shù)

本文采用ANSYS CFX進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算采用單流道模型，物理模型劃分為3個(gè)區(qū)域，進(jìn)風(fēng)筒、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、出風(fēng)筒。其中，進(jìn)風(fēng)筒與出風(fēng)筒采用ICEM劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子部分采用Auto-Grid劃分網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求，轉(zhuǎn)子流道網(wǎng)格如圖2所示。計(jì)算的邊界條件與收斂標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

圖2 葉片流道網(wǎng)格

表2 邊界條件與計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)

為了消除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值結(jié)果的影響，選擇了4組不同的單流道轉(zhuǎn)子網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。在網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證中，采用了SST k-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算，繪制了不同條件下的曲線。如圖3所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算值逐漸增加。當(dāng)葉片部分網(wǎng)格數(shù)達(dá)到24萬(wàn)時(shí)，上升趨勢(shì)不再明顯，這表明網(wǎng)格數(shù)量不再對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，最終的網(wǎng)格數(shù)量是240 000。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.3 外特性試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)比分析

試驗(yàn)風(fēng)機(jī)為單級(jí)低轉(zhuǎn)速軸流通風(fēng)機(jī)，廣泛運(yùn)用于紡織行業(yè)室內(nèi)通風(fēng)，試驗(yàn)測(cè)試方法參考GB/T 10178—2006，其參數(shù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)裝置如圖4所示，主要用于測(cè)試軸流風(fēng)機(jī)的性能，壓力傳感器安裝于集流器出口與風(fēng)機(jī)進(jìn)口之間；傳感器用于收集壓力信號(hào)與電機(jī)參數(shù)。此風(fēng)機(jī)的輪轂比為0.4，轉(zhuǎn)速980～990 r/min，風(fēng)筒外徑為1 600 mm，進(jìn)風(fēng)筒長(zhǎng)度為4 000 mm，測(cè)量長(zhǎng)度為4 815 mm。

表3 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

圖4 試驗(yàn)裝置

不同的湍流模型會(huì)計(jì)算出不同的結(jié)果，因此對(duì)湍流模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5所示，SST k-ω模型的全壓計(jì)算值在所有工況下都與試驗(yàn)值更加接近，相對(duì)于Standard k-ε模型與RNG k-ε模型表現(xiàn)出了更高的精度；在0.4-0.65 Qv工況時(shí)，SST k-ω湍流模型的相對(duì)誤差變大，這是由于該工況下的流體流動(dòng)伴隨著大量的流動(dòng)分離，在葉片附近出現(xiàn)了大量的脫落渦。在0.65-1 Qv工況下，由于葉頂間隙網(wǎng)格的存在，3種湍流模型的扭矩計(jì)算值與試驗(yàn)值存在偏差導(dǎo)致效率計(jì)算值出現(xiàn)微小誤差。此外，SST k-ω模型在0.4-0.65 Qv工況時(shí)與試驗(yàn)值接近，這是由于SST k-ω模型使用了混合函數(shù)解決從壁面附近的Standard k-ε模型逐漸到邊界層外部的高雷諾數(shù)k-ε模型的過(guò)渡問(wèn)題。此外，SST k-ω包含修正的湍流粘性公式用來(lái)解決湍流剪切應(yīng)力引起的輸運(yùn)效果，可以得到分離流的高精度解；因此，即使存在葉頂間隙網(wǎng)格的影響，SST k-ω模型也得出了接近于試驗(yàn)值的計(jì)算解。綜上，本文計(jì)算湍流模型選用SST k-ω模型。

圖5 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 氣動(dòng)性能分析

圖6，7分別示出了等-變環(huán)量設(shè)計(jì)、變環(huán)量設(shè)計(jì)、等環(huán)量設(shè)計(jì)的3種前掠葉片與3種傳統(tǒng)扭葉片在設(shè)計(jì)安裝角工況的Qv-Ptotal曲線與效率曲線對(duì)比。從圖6（a）中可以看出，采用等-變環(huán)量設(shè)計(jì)方法的前掠葉片在各流量工況下全壓均高于全等環(huán)量設(shè)計(jì)葉片，但在0.5Qv工況后等-變環(huán)量葉片全壓下降較快，這同等環(huán)量設(shè)計(jì)葉片全壓變化的整體趨勢(shì)相同；這是由于小輪轂比低速軸流風(fēng)機(jī)做功部位主要為葉片的中下部分，葉頂區(qū)域做功能力較弱，等-變環(huán)量葉片非前掠部分采用等環(huán)量設(shè)計(jì)，因此Qv-Ptotal其曲線變化趨勢(shì)與等環(huán)量設(shè)計(jì)葉片相似。

圖6 3種設(shè)計(jì)方法的前掠葉片和傳統(tǒng)扭葉片Qv-Ptotal曲線

圖7 3種設(shè)計(jì)方法的前掠葉片和傳統(tǒng)扭葉片效率曲線

前掠葉片相較于傳統(tǒng)扭葉片，通過(guò)改變?nèi)~頂部位的型線優(yōu)化了葉頂部分的做功能力，因此得到更加廣泛的穩(wěn)定工作區(qū)域。等-變環(huán)量前掠葉片通過(guò)在葉頂前掠部分采用變環(huán)量設(shè)計(jì)的方式進(jìn)一步優(yōu)化其做功能力，改善葉頂部位流場(chǎng)，從而得到比等環(huán)量葉片與變環(huán)量葉片更高的全壓。變環(huán)量設(shè)計(jì)葉片在0.45 Qv工況全壓高于等-變環(huán)量葉片，這是由于變環(huán)量葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了占次要地位的徑向流動(dòng)，通過(guò)選取合適的變環(huán)量指數(shù)控制離心力對(duì)流動(dòng)的影響，從而減少了輪轂處的脫流與低壓區(qū)的形成，優(yōu)化了小流量工況下葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況。從圖7（a）可以看出等-變環(huán)量前掠葉片的效率與其他兩種葉片基本相同，即等-變環(huán)量前掠葉片在效率不變的前提下大幅提升了風(fēng)機(jī)全壓。

從圖6（b）與圖7（b）中可以看出，等-變環(huán)量傳統(tǒng)扭葉片在區(qū)域0.75 Qv～1 Qv工況下效率基本與另外2種傳統(tǒng)扭葉片相同且具有較大的全壓，但提升相對(duì)于前掠葉片較小?？偟膩?lái)看，等-變環(huán)量傳統(tǒng)扭葉片相較于另外兩種傳統(tǒng)扭葉片性能有所提高，但3種傳統(tǒng)扭葉片在小于0.75Qv工況時(shí)，全壓與效率迅速下降，流動(dòng)狀態(tài)迅速惡化，其穩(wěn)定工作范圍小于前掠葉片，這與Benini等[6]的研究結(jié)果一致。

綜上，等-變環(huán)量的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于前掠葉片更加具有優(yōu)勢(shì)，因此下文將針對(duì)前掠葉片工況展開(kāi)內(nèi)流特征分析，進(jìn)一步闡明其氣動(dòng)性能變化的內(nèi)在機(jī)理。

2.2 前掠葉片出口軸向速度分析

軸向速度沿葉高的分布可以反映葉輪的流通能力，圖8示出了3種設(shè)計(jì)方法所得前掠葉片的出口軸向速度vw沿葉高span分布，定義相對(duì)葉高R=（r-rh）/rs，其中 r為徑向葉高，rh和 rs分別為輪轂半徑和葉輪半徑。從圖8中可以看出，等-變環(huán)量葉片的軸向速度分布較為均勻自葉根至葉頂?shù)妮S向速度值普遍在30 m/s。而由于變環(huán)量設(shè)計(jì)考慮變環(huán)量指數(shù)對(duì)其的影響，因此其葉輪出口處軸向速度沿徑向葉高呈現(xiàn)非均勻分布[9]。與變環(huán)量葉片相比，等-變環(huán)量葉片R=0.6以下采用等環(huán)量設(shè)計(jì)，優(yōu)化了其R=0.7以下的流動(dòng)情況，軸向速度的大幅提升使其流通能力進(jìn)一步增強(qiáng)。等環(huán)量葉片的輪轂斷面處安裝角與弦線長(zhǎng)度較大且葉型扭曲程度大，對(duì)氣流做功能力強(qiáng)，因此其葉根處氣流軸向速度較大。與等環(huán)量葉片相比，等-變環(huán)量葉片明顯優(yōu)化了其R=0.6以上的軸向速度分布。

圖8 1Qv前掠動(dòng)葉出口軸向速度葉高分布

這是因?yàn)榍奥拥脑O(shè)計(jì)使葉片的頂部首先接觸流體，這部分流體更少地受到由于離心力造成的下部流體對(duì)其的擠壓從而順利通過(guò)流通區(qū)域。頂部采用變環(huán)量設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步弱化了離心力對(duì)葉頂處空氣的影響，其做功能力進(jìn)一步增強(qiáng)，因此葉頂部位的流體可以獲得更高的軸向速度。

從圖9可以看出在R=0.2處，等-變環(huán)量葉片軸向速度分布與等環(huán)量葉片軸向速度相似且高速區(qū)域明顯大于變環(huán)量葉片，這說(shuō)明變環(huán)量葉片在葉輪內(nèi)相對(duì)葉高較低處的流通能力較弱。對(duì)比圖9（a）與9（c）可以發(fā)現(xiàn)等-變環(huán)量葉片在接近葉片吸力面處存在更多的高速區(qū)域，通過(guò)計(jì)算得到兩者平均軸向速度分別為29.798 98 與29.234 7 m/s，這說(shuō)明等-變環(huán)量葉片葉根對(duì)流體的做功能力更強(qiáng)，因此等-變環(huán)量葉片葉根出口處的軸向速度更大。在R=0.8處，等環(huán)量葉片高速區(qū)域明顯低于其他葉片，對(duì)比圖9（d）與9（e）可以發(fā)現(xiàn)等-變環(huán)量葉片壓力面高速區(qū)面積明顯大于變環(huán)量葉片，吸力面附近高速區(qū)域基本出現(xiàn)在同一弦長(zhǎng)處但等-變環(huán)量葉片高速區(qū)面積更大，兩者平均軸向速度分別為29.736 4與29.104 6 m/s。上述結(jié)果表明，采用等-變環(huán)量設(shè)計(jì)的葉片改善了變環(huán)量葉片葉根處的做功能力與等環(huán)量葉片葉頂處的流動(dòng)狀態(tài)，葉根處軸向速度的提升使得其可以通過(guò)更大體積流量的流體，葉頂處高速區(qū)面積的增加說(shuō)明其對(duì)流體有更好的約束作用，進(jìn)一步提升了其做功能力。

圖9 各葉片在R=0.2與R=0.8時(shí)軸向速度云圖

2.3 葉片不同葉高處?kù)o壓系數(shù)分布

圖10 各葉片在R=0.05，0.5，0.8，0.95時(shí)靜壓系數(shù)分布

3 結(jié)論

（1）等-變環(huán)量設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于前掠葉片與傳統(tǒng)扭葉片，等-變環(huán)量葉片的效率與其他兩種葉片基本相同，全壓可提升20～50 Pa；等-變環(huán)量設(shè)計(jì)應(yīng)用于前掠葉片有更大的提升，且等-變環(huán)量設(shè)計(jì)出的前掠葉片具有更廣泛的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。

（2）等-變環(huán)量前掠葉片自葉根至葉頂具有更加平穩(wěn)的軸向速度，且軸向速度較大，葉輪具有更強(qiáng)的流通能力。等-變環(huán)量葉片葉根與葉頂處軸向速度比其他兩種葉片高出約0.6 m/s。

（3）等-變環(huán)量設(shè)計(jì)可有效增大葉片各截面的弦長(zhǎng)，結(jié)合等環(huán)量設(shè)計(jì)葉片在根部的做功優(yōu)勢(shì)與變環(huán)量設(shè)計(jì)葉片在頂部的做功優(yōu)勢(shì)，有效提升葉片的做功能力。

（4）等-變環(huán)量葉片葉根處表面負(fù)荷略大于其他兩種葉片，且在葉頂處可以更快地使氣流實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)流動(dòng)。