韓潔婷 ，李詩徉 ，張 宇 ，葉豪杰 ，吳大轉 ，4

（1.浙江大學 能源工程學院，杭州 310013；2.浙江躬行智新科技有限公司，杭州 310012；3.浙江大學 海洋學院，浙江舟山 316021；4.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310013）

0 引言

風機是一種利用葉輪旋轉對氣體做功，從而進行能量轉換和氣體輸送的機械，被廣泛地應用于國民經(jīng)濟各個領域。為增強可持續(xù)發(fā)展能力，《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》對風機的能耗指標提出了嚴格的要求，這使得深入研究風機性能的影響因素顯得尤為重要。

國內外有一眾學者將高效低噪的風機設計作為主要研究目標，發(fā)現(xiàn)風機特性與其內部流體流動狀態(tài)緊密相關，并提出了一系列改善內流場的方法，具體包括：改變葉片數(shù)目及分布方式［1-5］、選取合適的動靜葉間距［5-7］，以及傾斜和彎掠等葉片改型方法［8-14］。其中葉片改型方法具有簡便經(jīng)濟的特點，且取得了明顯的試驗效果［15-16］。

目前國內外學者對風機葉片改型的目標多為葉輪葉片，改型方式主要是彎掠、傾斜等。魏兵海等［17］介紹了通過高性能彎掠葉片抑制端壁邊界層分離以減小二次流損失的優(yōu)化方法。金光遠等［18］研究了周向彎曲葉片低壓軸流風機的三維流動擴穩(wěn)機理作用，通過試驗測量結果闡明了三維流動結構的演化過程，驗證了彎曲葉片對邊界層遷移的影響。YANG等［19］基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法對低壓軸流風機葉片進行優(yōu)化，結果表明前彎葉片可使氣流沿葉展向重新分布、減小葉尖負荷，從而提高風機的效率和總壓比、擴大風機穩(wěn)定運行范圍。

可見，動葉改型對風機性能的優(yōu)化效果非常顯著，然而，面向靜葉改型的研究較少見，靜葉改型多見于高溫高壓的壓氣機設計中，研究表明［20］葉片傾斜引起的內流場變化是影響性能的根本原因。由于流體性質和工作原理并非完全相同，壓氣機的相關研究結果并不一定適用于風機，因此開展靜葉改型對風機氣動特性影響的研究具有很大意義。

基于以上背景，本文的研究思路如下：首先，提出了利用傾斜導葉改善風機氣動性能的方法，并基于流體徑向壓力梯度對傾斜導葉的優(yōu)化效果進行理論分析；接著通過計算流體力學（CFD）及半消聲室試驗方法研究了導葉傾斜角度對斜流風機氣動性能的影響；最后，基于CFD結果分析了傾斜導葉對斜流風機流場的影響原理并進行了理論驗證。

1 導葉傾斜葉片定義及氣動性能改善機理

1.1 導葉傾斜葉片定義

定義導葉傾斜正方向為面向導葉前緣（LE）方向視角，導葉相對動葉的旋轉方向，即Z軸方向（ω），如圖1所示；不同葉高下的重心連線為葉片的重心積疊線，α為重心積疊線傾斜角度，α為正值時稱為“前傾”，反之為“后傾”。

圖1 導葉積疊線傾斜示意Fig.1 Schematic diagram of stator vane center-of-gravity stacking line of leaned stator

1.2 導葉傾斜對氣動性能改善機理

參考文獻［21-26］中的透平機械C型彎曲葉片優(yōu)化方法分析傾斜導葉引起的流場結構變化，探明風機氣動性能變化的內在原因。

該理論利用周向彎曲葉片的徑向力分量在級內沿葉高等反力度分布改善端壁區(qū)低能流體聚集現(xiàn)象，并提出葉片徑向力分量的完全徑向平衡方程，如式（1）所示。

式中 ρ ——密度；

P ——壓力；

Cu——周向分速度；

Cm——軸向分速度；

rm——子午面流線曲率半徑；

δ —— 軸向速度（子午面流向方向）與軸線的夾角；

Fr——葉片徑向力。

式（1）左側為徑向壓力梯度，右側分別為離心力項Fω、子午面內流線的曲率導致的離心力徑向分量、流體的運動加速度徑向分量、葉片與氣流作用力徑向分量。當壓升較低、氣流轉折角較小時，可簡化為式（2）：

傾斜導葉葉片重心積疊線為直線、傾斜角度為定值，葉片徑向力大小僅由導葉傾角決定，其方向與流體所處位置有關；流體離心力項Fω由2個因素決定：（1）流體到達導葉域前所處動葉域的葉高；（2）由于流體所處軸向位置增加引起的動能-壓能轉換和能量耗散而不斷減小。

圖2示出了導葉不同傾斜方向和角度下，吸力面（SS）和壓力面（PS）上的流體運動示意，圖中α1，α2，α3分別為小傾斜角、臨界角、大傾斜角，F(xiàn)ω和Fr的大小和方向均由箭頭的長短和方向示意。當導葉前傾且Fω為定值時，在小角度α1下，壓力面上流體受到的Fr小于Fω，致使葉根處流體沿葉片上移；隨著前傾角度增大至α2，F(xiàn)r與Fω相等，導葉壓力面流體表面邊界層移動微弱；當角度進一步增大至α3，F(xiàn)r將大于離心力Fω，致使葉頂處流體沿葉片下移。吸力面上，無論導葉前傾角度如何，流體受到的Fr方向始終與Fω同向，流體均由葉根沿葉片上移。后傾導葉對葉片表面的流體運動的影響分析同理。

圖2 導葉傾斜對葉片表面流體運動影響Fig.2 Effect of the leaned stator vane on fluid movement on blade surfaces

由于風機內部能量損失主要以葉型損失、二次流損失和端部損失為主，改變導葉表面附近流體的流動狀態(tài)、降低端部流體堆積和能量損失是提升風機氣動性能的有效途徑?；谏鲜龇治隹芍捎煤侠淼膶~傾斜角度可適當調整表面流體的徑向移動方向及速度，能合理改善流體的分布方式，從而減少流體堆積和葉型損失。

2 研究模型及數(shù)值計算方法

2.1 研究對象

本文以某型單級斜流風機為研究對象包括集流器、葉輪、導葉、機殼、擴壓筒和電機等結構，如圖3所示。

圖3 單級斜流風機三維模型Fig.3 3D model of single-stage diagonal flow fan

葉輪設計轉速為1 200 r/min，葉輪、導葉葉片數(shù)分別為10和13；葉輪進、出口輪緣直徑為180.5，310.0 mm，輪轂直徑為 38.8，194.5 mm，葉片厚度1.5 mm。導葉輪緣直徑為310 mm，輪轂直徑為195 mm，葉片厚度為等厚2 mm。集流器出口直徑175.6 mm，擴壓筒外徑180.0 mm。共設計5種不同傾斜方向及角度的導葉模型：前傾20°、前傾10°、原始葉片、后傾10°和后傾20°，如圖4所示。

圖4 5種不同傾斜方向及角度導葉模型Fig.4 Five stator models with different leaning direction and angle

依據(jù)風機結構參數(shù)提取葉輪、導葉全流道模型，并在葉輪進口和導葉出口端分別建立進、出口加長流道，其參數(shù)及各流域數(shù)值計算模型如圖5所示。

圖5 單級斜流風機數(shù)值計算模型Fig.5 Computational model of the single-stage diagonal flow fan

2.2 數(shù)值計算方法

2.2.1 網(wǎng)格劃分

借助ICEM和TurboGrid軟件對數(shù)值計算模型進行空間離散，如圖6所示。進口加長流道采用O-grid Block網(wǎng)格劃分方法，出口加長流道采用二維結構化網(wǎng)格轉換為三維結構化網(wǎng)格方法。葉輪和導葉域采用TurboGrid軟件的自動劃分方法，設定單流道網(wǎng)格模型數(shù)量，并加密葉片表面網(wǎng)格以更好地捕捉流場細節(jié)，同時保證y+符合湍流模型要求。網(wǎng)格劃分參數(shù)見表1，通過網(wǎng)格無關性驗證，最終總體網(wǎng)格數(shù)量約為411萬，y+結果如圖7所示，其最大值為86，表明該網(wǎng)格符合湍流模型要求［27］。

圖6 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Computational meshing of the numerical model

表1 網(wǎng)格劃分參數(shù)Tab.1 Meshing parameters

圖7 斜流風機葉片y+分布云圖Fig.7 Nephogram of y+ distribution on blade surfaces of the diagonal flow fan

2.2.2 邊界條件

基于風機實際工作條件設定數(shù)值模擬邊界條件，流體介質選用不可壓縮理想空氣；設定進口為速度入口邊界條件，并依據(jù)體積流量和入口截面積折算為相應速度值17.014 8 m/s；設定出口為壓力出口邊界條件，由于出口管道與大氣相通，表壓設置為0 Pa；壁面均設置為無滑移光滑壁面。

2.2.3 數(shù)值模擬方法

計算模型包含旋轉區(qū)域和靜止區(qū)域，因此采用多參考系（MRF）。葉輪區(qū)域采用旋轉坐標系，其他區(qū)域采用靜止坐標系，二者通過交界面（Interface）進行數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)值模擬方法采用基于壓力基求解器的穩(wěn)態(tài)計算方法，通過求解時均化的Navier-Stokes方程（RANS）將瞬態(tài)脈動量體現(xiàn)出來；選擇Realizable渦粘模型對雷諾應力進行處理，將湍流應力表現(xiàn)湍動粘度的函數(shù)，從而封閉方程組。該模型在標準模型基礎上進行改進，避免了計算強旋流和帶有彎曲壁面流動時的失真，對于旋轉均勻剪切流、邊界層流動、分離流計算具有較強的適應性，其應用已得到了很好的驗證［27］。

2.2.4 數(shù)值模擬及試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬結果的準確性，本文在半消聲室內進行了原始風機模型的外特性試驗。試驗與數(shù)值模擬的全壓和全壓效率對比結果如圖8所示。由圖可知，數(shù)值模擬的全壓結果與試驗結果趨勢一致，整體上誤差在可接受范圍內，表明采用數(shù)值模擬方法進行風機氣動性能研究是可行的。由于設備測量精度不足和讀數(shù)誤差，致使試驗和數(shù)值模擬的功率相對大小趨勢不同，因此風機的全壓及效率在全流量工況下的趨勢略有差異。

圖8 風機氣動性能試驗及數(shù)值模擬對比Fig.8 Comparison of experimental and numerical simulation results on aerodynamic performance of the diagonal flow fan

3 導葉傾斜對風機氣動性能的影響

在額定流量1 200 m3/h及額定轉速1 200 r/min下，對 5 種不同導葉傾角（前傾 20°，10°，0°，后傾10°，20°）的風機模型進行數(shù)值模擬。繪制各風機模型的全壓-流量和全壓效率-流量曲線對比如圖9～10所示，可以看出，導葉傾斜方向和角度對于風機全壓和效率均有影響。在本文研究范圍內，前傾導葉可提升風機整機性能，后傾導葉會惡化風機性能，同時可推測存在最佳前傾角度使得風機氣動性能最佳。

圖9 5種導葉風機全壓-流量曲線對比Fig.9 Comparison of the total pressure variation with volume flow rate for five stator models

圖9中表明：前傾導葉可提高全流量區(qū)間（0～1 400 m3/h）的風機全壓，在設計工況下可提升效率約2%，且前傾20°導葉對于非設計工況下的風機氣動性能有顯著提升，對實際運行中的風機偏工況性能有明顯改善作用。在本文研究范圍內，風機氣動性能隨導葉前傾角度增大而增大、隨后傾導葉角度增大而降低，因此可以認為整體上前傾導葉有助于提高風機的氣動性能，后傾導葉作用相反。

從圖10中可看出：前傾20°對小流量（400～600 m3/h）區(qū)間及大流量（1 400 m3/h）的風機效率優(yōu)化作用顯著，在額定工況附近提升效果不明顯；前傾10°可略微提升風機整機全壓效率。后傾導葉將略微降低風機效率。

4 風機氣動性能優(yōu)化機理分析

4.1 導葉表面徑向速度分布及理論驗證

導葉表面流體的徑向速度可以體現(xiàn)流體沿葉片表面的流動狀態(tài)，借助第1.2節(jié)理論分析不同傾斜導葉表面的徑向速度分布差異，可進一步得到傾斜導葉性能優(yōu)化方法的量化指標。由圖2可知：流體徑向速度接近0值的區(qū)域面積越大，表征表面邊界層移動微弱的區(qū)域越大，導葉葉型損失越小，越利于改善風機氣動性能。

圖11，12分別示出前傾、后傾與原始導葉模型表面徑向速度分布對比。徑向速度圖例展示了3種不同的徑向速度：負值、接近0值和正值，分別對應于第1.2節(jié)中流體下移、流體移動微弱、流體上移3種情況。由于流體在葉片表面不同區(qū)域的徑向速度分布特征有明顯差異，因此將導葉壓力面和吸力面分為6個區(qū)域，分別為P1-r，P2-r，P3-r，S1-r，S2-r，S3-r區(qū)。同時，通過藍、黃兩種顏色的箭頭的方向及長短分別表示徑向力與離心力的方向與二者的相對大小。

前傾導葉與原始導葉表面流體徑向速度對比如圖11所示，通過“+”、“-”表示力的增大和減小?？梢钥闯觯簤毫γ嫔?，各區(qū)域徑向力隨著導葉前傾角度增加而增大，因導葉相對葉輪位置發(fā)生變化，P3-r區(qū)域流體離心力隨前傾角度增大而增大，導葉P3-r區(qū)域徑向速度約為0值的區(qū)域增大，擴大了輪緣附近表面邊界層移動微弱的區(qū)域面積，改善了流體在端部的堆積；吸力面上，各區(qū)域徑向力隨前傾角度增大而減小，使S2-r、S3-r區(qū)域流體徑向速度明顯改變，葉片中部出現(xiàn)了大面積徑向速度約為0值的流體，緩沖了葉片頂部與端部不同速度方向的流體沖擊并減弱了該區(qū)域的速度梯度，減小了能量損失，提升了風機性能。

圖11 前傾導葉與原始導葉表面流體徑向速度對比Fig.11 Comparison of radial fluid velocity on the stator vane surfaces between the forward-leaned and baseline models

后傾導葉與原始導葉模型表面流體徑向速度對比圖如圖12所示?？梢钥闯觯簤毫γ嫔?，導葉后傾導致流體徑向力方向轉變，且隨角度增大而減小，由于導葉相對葉輪位置發(fā)生變化，P1-r區(qū)葉頂處流體的離心力略有降低，減弱了流體向頂部的聚集。P2-r區(qū)的流體徑向速度反向，隨后傾角增大減弱，正徑向速度區(qū)明顯增大。P3-r區(qū)流體徑向速度為負，流體流向端壁區(qū)域，堆積于葉根處，不利于性能優(yōu)化；同理，吸力面上，流體徑向力隨角度增大而增大，S2-r區(qū)域流體徑向速度明顯改變，輪轂區(qū)域的流體堆積雖得到略微改善，卻導致沿弦向的徑向速度明顯分布不均，導致能量損失。

圖12 后傾導葉與原始導葉表面流體徑向速度對比Fig.12 Comparison of radial fluid velocity on the stator vane surfaces between the back-leaned and baseline models

綜上所述，通過分析傾斜導葉的徑向速度分布結果，驗證了第1.2節(jié)所述的傾斜導葉性能優(yōu)化方法。結果表明：前傾葉片能有效改善葉片表面的徑向速度分布，增大壓力面上處徑向速度為0的區(qū)域，改善端部流體堆積，降低了能量損失，后傾導葉作用相反。

4.2 導葉近表面軸向速度影響分析及性能改進機理

圖13，14分別示出前傾、后傾與原始導葉表面流體的軸向速度分布云圖。同理，將葉片壓力面、吸力面分別劃分為2個特征區(qū)域，即P1-a、P2-a、S1-a、S2-a，箭頭表示該方向的速度梯度。由圖14可知：導葉前傾時，前緣P1-a區(qū)的軸向速度略微降低，表明前傾有助于緩解流體對導葉前緣的沖擊；壓力面上P2-a區(qū)和吸力面S2-a區(qū)軸向速度有所提升，低速區(qū)逐漸縮小，使得端壁區(qū)低能流體能夠高速排出流道，改善堆積現(xiàn)象。同時，前傾角度增大使得壓力面上流體的軸向速度梯度分布減小，降低了能量損失。吸力面上，葉高中部S1-a區(qū)形成了較為明顯的“流通區(qū)”，有利于風機氣動性能的提升。

圖13 前傾導葉與原始導葉表面流體軸向速度對比Fig.13 Comparison of axial fluid velocity on the stator vane surfaces between the forward-leaned and baseline models

圖14 后傾導葉與原始導葉表面流體軸向速度對比Fig.14 Comparison of axial fluid velocity on the stator vane surfaces between the backward-leaned and baseline models

圖14中表明：后傾導葉加劇了前緣S1-a區(qū)的流體沖擊，使葉片吸力面軸向速度梯度增大，流動損失增大，并惡化了S1-a區(qū)尾緣與P1-a區(qū)的軸線速度分布。隨著葉根低速區(qū)移向葉高中部，流道內流體堵塞情況加重，不利于流體流通，易造成能量損失。

綜上所述，前傾葉片改善了端壁位置的軸向流速，以便帶出低能流體，增強流體流通性，改善軸向速度梯度分布，減小流動損失，提高了風機氣動效率。

5 結論

（1）導葉傾斜方向和角度對風機全壓和全壓效率均有影響，在本文研究范圍內，前傾導葉有助于提升斜流風機的氣動性能，設計工況下提升全壓效率約2%；后傾導葉相反，推測存在使風機氣動性能最優(yōu)的最佳前傾角度。

（2）導葉傾斜可改變導葉流道流體的離心力與徑向力大小，優(yōu)化表面流體的徑向速度和軸向速度分布形成速度緩沖區(qū)域，減弱了速度梯度導致的能量損失，改善了端部的流體堆積現(xiàn)象。結果表明，流體徑向速度接近0值的區(qū)域面積越大、分布越均勻，葉型損失越小，越有利于斜流風機氣動性能的提升。

（3）導葉表面軸向速度分布對斜流風機性能有顯著影響，提升軸向速度可增大流通區(qū)面積，從而優(yōu)化風機性能，具體可通過增大端壁區(qū)流速、減小低速區(qū)覆蓋面積等方式實現(xiàn)。