蔣志軍，周拜豪

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

復(fù)合彎掠定制葉型技術(shù)在對(duì)旋風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣志軍，周拜豪

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

簡要介紹了復(fù)合彎掠定制葉型技術(shù)及其特點(diǎn)，論述了將該技術(shù)應(yīng)用于對(duì)旋風(fēng)機(jī)改型設(shè)計(jì)的工程實(shí)例。風(fēng)機(jī)改型設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該技術(shù)的應(yīng)用，使對(duì)旋風(fēng)機(jī)的效率及喘振裕度明顯提高，葉片厚度和重量都有較大的減小。該實(shí)例驗(yàn)證了基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系的復(fù)合彎掠定制葉型技術(shù)，在低速對(duì)旋風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中也具有良好的實(shí)用性和有效性。

對(duì)旋風(fēng)機(jī)；定制葉型；效率；喘振裕度；節(jié)能減排

1 引言

對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)由于其在長距離送風(fēng)、通風(fēng)方面的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國大小礦井至少有10萬臺(tái)主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，風(fēng)機(jī)效率每提高1%可節(jié)電40億千瓦時(shí)。因此，提高通風(fēng)機(jī)的效率對(duì)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

影響通風(fēng)機(jī)性能的主要因素是風(fēng)機(jī)的葉型設(shè)計(jì)，業(yè)內(nèi)通常采用孤立翼型設(shè)計(jì)[1，2]。這種設(shè)計(jì)造型變化的是葉片安裝角和葉片截面的大小，葉片截面形狀與原始翼型幾何相似。這是一種相對(duì)簡單的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的性能（尤其是非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能好壞）與原始翼型的選取直接相關(guān)，原始翼型極大地限制了葉片設(shè)計(jì)的靈活度。本文引入基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系的通流氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)技術(shù)及復(fù)合彎掠定制葉型造型技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。與孤立翼型設(shè)計(jì)方法最大不同是，摒棄使用標(biāo)準(zhǔn)葉型(原始翼型)的思路，根據(jù)通流計(jì)算不同流線上的氣動(dòng)參數(shù)，在不同高度流線截面上分別設(shè)計(jì)具有可控?cái)U(kuò)散葉型特點(diǎn)的葉型，以期提高風(fēng)機(jī)性能。

2 定制葉型技術(shù)

定制葉型技術(shù)[3]是基于正問題迭代法設(shè)計(jì)可控?cái)U(kuò)散葉型的一種特定幾何造型方法，可設(shè)計(jì)出具有可控?cái)U(kuò)散葉型表面速度分布特點(diǎn)的葉型。正問題迭代法采用特定的幾何造型方法設(shè)計(jì)葉型，然后利用正問題分析葉柵流場，得到葉型表面速度分布。當(dāng)表面速度分布不滿足要求時(shí)，則修改葉型設(shè)計(jì)，再進(jìn)行正問題計(jì)算，如此反復(fù)迭代，最后得到滿意的葉型。正問題迭代法由于其設(shè)計(jì)的葉型幾何參數(shù)易于控制，能很好地保證葉片的徑向光滑，設(shè)計(jì)人員能很快得到葉型，在工程上具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中的眾多應(yīng)用驗(yàn)證表明，定制葉型損失小、攻角范圍大，性能優(yōu)于其它常規(guī)葉型。其設(shè)計(jì)流程和方法見圖1。

圖1 定制葉型的設(shè)計(jì)流程Fig.1 Flow chart of custom tailoring

對(duì)于用幾何方法生成的葉型，影響其性能的因素主要有：中線形狀、厚度分布和前后緣形狀。中線形狀決定了葉型的彎度分布，也就一定程度上決定了功的分布。定制葉型技術(shù)選用兩段圓弧中線，通過分別控制其弧度來靈活控制功的優(yōu)化匹配。

厚度分布影響葉背和葉盆的曲率，通過它能夠調(diào)整葉型表面壓力分布。定制葉型采用一種特殊的厚度分布形式，使設(shè)計(jì)的葉型具有類似于可控?cái)U(kuò)散葉型的形狀和性能。定制葉型造型控制的典型表面速度分布具有如下特點(diǎn)：

(1)葉背前緣有一段持續(xù)加速，避免層流附面層過早分離；

(2)控制葉背的速度峰值，以達(dá)到控制損失的目的；

(3)控制葉背速度峰值到后緣速度的曲率形式，以推遲或避免附面層發(fā)生分離；

(4)控制葉盆的速度分布形式，以保證一定的堵塞裕度。

在葉片前后緣選取上使用橢圓前緣設(shè)計(jì)。多年來前后緣一直采用圓弧設(shè)計(jì)，一方面是對(duì)其影響認(rèn)識(shí)不足，另一方面是加工能力限制。實(shí)際上，前后緣形狀對(duì)葉型性能有很大影響，橢圓前緣可很好地控制膨脹波及分離泡，減小葉型損失。

3 在風(fēng)機(jī)改型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為驗(yàn)證定制葉型技術(shù)在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的實(shí)際效果，將該技術(shù)應(yīng)用于一臺(tái)礦用主排氣風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的改型設(shè)計(jì)中。

礦井在不同時(shí)期對(duì)主通風(fēng)機(jī)的性能要求不同，一般而言，隨著礦井采掘的行進(jìn)，越到后期通風(fēng)風(fēng)壓需求越高。某煤礦集團(tuán)一礦井開采逐漸進(jìn)入了后期，礦井排氣主通風(fēng)機(jī)性能逐漸出現(xiàn)了不能滿足通風(fēng)要求的問題，工作中出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。礦井方面提出對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)輪段進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，在原有電機(jī)條件下提高風(fēng)機(jī)的效率和流量，解決風(fēng)機(jī)喘振問題。根據(jù)客戶改型要求，結(jié)合定制葉型技術(shù)本身特點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)機(jī)主要用于礦井的抽風(fēng)排氣，一年四季長期工作，工作環(huán)境的大氣參數(shù)變化范圍大，為設(shè)計(jì)的通用性和方便性，結(jié)合原型風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，選取標(biāo)況大氣作為設(shè)計(jì)狀態(tài)，以進(jìn)口負(fù)壓2 700 Pa、設(shè)計(jì)流量87.5 kg/s、電機(jī)轉(zhuǎn)速742 r/min作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)改型風(fēng)機(jī)葉片，采用在不同進(jìn)口負(fù)壓下適當(dāng)調(diào)整葉片安裝角來盡可能增大風(fēng)機(jī)通風(fēng)量及保證風(fēng)機(jī)高效率。

在通流計(jì)算環(huán)節(jié)，考慮到風(fēng)機(jī)有反轉(zhuǎn)應(yīng)急需求，采用了風(fēng)輪段平直流道設(shè)計(jì)。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)旋級(jí)的良好匹配，修改原風(fēng)機(jī)等環(huán)量設(shè)計(jì)為等功設(shè)計(jì)，該氣動(dòng)布局可有效減少氣流在級(jí)間由徑向氣流摻混而造成的損失。在葉片子午投影布局上，引入掠型設(shè)計(jì)，該技術(shù)屬于葉片三維設(shè)計(jì)范疇，通過徑向適當(dāng)掠型控制氣流在徑向的流量分布，達(dá)到增加主流區(qū)流量控制端壁流動(dòng)的目的[3，4]；另外葉片掠型設(shè)計(jì)可降低風(fēng)機(jī)噪聲。風(fēng)機(jī)S2流路布局見圖2。通流計(jì)算程序選用中國燃?xì)鉁u輪研究院自主開發(fā)的具有國內(nèi)先進(jìn)水平的S2流面計(jì)算程序，該程序采用矩陣通流法逐站求解，能反映端壁區(qū)域流道信息，具有設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確、合理性高的特點(diǎn)。計(jì)算時(shí)需要輸入流道幾何參數(shù)、靜子葉片出口環(huán)量分布、附面層堵塞系數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片排效率或損失系數(shù)、靜子葉片排總壓恢復(fù)系數(shù)或損失系數(shù)、葉片排稠度和各級(jí)壓比。通流設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制參數(shù)擴(kuò)散因子分布如圖3所示。

圖2 S2流路布局圖Fig.2 Layout of S2 flowpath

圖3 風(fēng)機(jī)擴(kuò)散因子分布Fig.3 Configuration of D-factor

在葉片造型環(huán)節(jié)，定制葉型造型的初始參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定，選用MISES、NUMECA軟件分別進(jìn)行造型葉片的正問題分析迭代[3]。攻角、落后角、彎度比主要參考正問題分析結(jié)果優(yōu)化選取(圖4)，最大相對(duì)厚度、最大厚度位置參考正問題計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果調(diào)整得出。同時(shí)，在葉片三維造型中引入先進(jìn)的復(fù)合彎掠技術(shù)。通過彎掠設(shè)計(jì)，可減輕葉片根尖氣動(dòng)負(fù)荷，控制葉片根尖的二次流動(dòng)，提高葉片根尖的效率，最大限度地利用葉片中部的高效流動(dòng)區(qū)，擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍，提高通風(fēng)機(jī)抗流場畸變能力。另外，復(fù)合彎掠還可增加葉片剛度，降低葉片應(yīng)力及風(fēng)機(jī)噪聲；相對(duì)于傳統(tǒng)低速風(fēng)機(jī)葉型定制葉型，極大地減薄了葉片厚度。和原型風(fēng)扇葉片相比，改型葉片葉尖葉型厚度減薄近2/3，葉根葉型減薄近1/2，大大減輕了葉片重量(圖5)，為高稠度、高裕度風(fēng)輪的實(shí)現(xiàn)提供了有利保障；同時(shí)輕質(zhì)葉片對(duì)輪盤及風(fēng)機(jī)整機(jī)減重都有益處。改型風(fēng)輪在葉片數(shù)增加30%情況下較原型風(fēng)輪依然減重約12%，就是最直接的體現(xiàn)。

4 改型風(fēng)機(jī)實(shí)測性能

風(fēng)機(jī)安裝地坑道風(fēng)壓需求常年在2000～2600Pa之間，因此在風(fēng)機(jī)安裝調(diào)試時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片安裝角進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。風(fēng)機(jī)現(xiàn)已在礦井正常穩(wěn)定工作一年多，未出現(xiàn)喘振，圖6給出了風(fēng)機(jī)試運(yùn)行一個(gè)月后由專業(yè)風(fēng)機(jī)性能測試機(jī)構(gòu)測試的風(fēng)機(jī)性能。

圖4 葉片的攻角、落后角以及幾何彎角分布Fig.4 Configurations of incidence angle,deviation angle and turning angle

圖5 第一級(jí)葉片F(xiàn)ig.5 Blade of the first stage

圖6 改型前后風(fēng)機(jī)性能對(duì)比Fig.6 Performance comparison between the old and the new draught fans

和改型前風(fēng)機(jī)性能[5]相比，風(fēng)機(jī)的同風(fēng)壓流量提高約8%，全壓效率提高6.2%(由于改型設(shè)計(jì)只修改了風(fēng)機(jī)風(fēng)輪，電機(jī)、排氣擴(kuò)散塔仍使用風(fēng)機(jī)原件，因此這里的效率不包括電機(jī)損失和排氣損失)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍也明顯拓寬，由原型風(fēng)機(jī)的2 250～2 600 Pa拓寬到改型風(fēng)機(jī)的2 040～2 650 Pa。

5 結(jié)論

(1)高風(fēng)壓對(duì)旋通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用復(fù)合彎掠定制葉型技術(shù)，可以很好地發(fā)揮定制葉型效率高、穩(wěn)定工作范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。改型風(fēng)機(jī)在同風(fēng)壓流量增加約8%的前提下，最高全壓效率提高6.2%，穩(wěn)定工作風(fēng)壓范圍擴(kuò)大近260 Pa，成功解決了原型風(fēng)機(jī)工作中的喘振現(xiàn)象。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉型，定制葉型的厚度有很大幅度的減薄，這對(duì)風(fēng)機(jī)減重、控制材料成本及實(shí)現(xiàn)高稠度、高喘振裕度風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了有力保證。

[1]吳玉林，陳慶光，劉樹紅.通風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]李超俊，宇文龍.軸流壓縮機(jī)原理與氣動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[3]航空發(fā)動(dòng)機(jī)手冊總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊：第8冊——壓氣機(jī)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[4]彭澤琰，杜聲同，郭秉衡.航空燃?xì)廨啓C(jī)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[5]華鎣山廣能集團(tuán)李子埡煤業(yè)有限公司.通風(fēng)機(jī)性能數(shù)據(jù)測定報(bào)表[Z].2005.

Application of Curved-Swept Custom Tailoring Techniques in Counter-Rotating Draught Fans

JIANG Zhi-jun，ZHOU Bai-hao
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The curved-swept custom tailoring techniques and its engineering application of it in coun?ter-rotating draught fan design is introduced.The design results show that the efficiency and surge margin of draught fans increase obviously,while the thickness and weight of blade decreases greatly.It verified practicality and validity of the curved-swept custom tailoring techniques based on the design system of high pressure compressor in draught fan design.

counter-rotating draught fans；custom tailoring；efficiency；surge margin；energy saving and emission reduction

V232.4

A

1672-2620(2012)01-0005-04

2011-03-18；

2011-12-01

蔣志軍(1980-)，男，四川安岳人，高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作。