董學(xué)智 張志鑫 許劍*/中國科學(xué)院工程熱物理研究所

串列風(fēng)機葉片間隙尺寸對風(fēng)機性能的影響研究

董學(xué)智 張志鑫 許劍*/中國科學(xué)院工程熱物理研究所

0 引言

在串列葉柵中，單列葉柵由前后兩排葉片共同實現(xiàn)氣流的折轉(zhuǎn)，故可以對氣流實現(xiàn)更大的折轉(zhuǎn)。因此也加大了單級葉柵的做功能力，一般認為串列葉柵具有氣流轉(zhuǎn)折角大、總壓損失小、工作范圍寬廣等優(yōu)點。

早在1974年，美國NASA在研究高負荷軸流壓氣機時，就開始對串列葉柵進行研究[1]。Jonathan McGlumphy給出了一種亞音速串列葉柵設(shè)計準則，通過實驗測試，證明其設(shè)計準則可以有效的預(yù)測串列葉柵損失發(fā)展并為設(shè)計提供支持[2]。日本學(xué)者Yusuke Sakai等人設(shè)計了使用串列葉片的跨音速動葉，通過實驗測試證明其具備良好的做功能力以及較小的流動損失[3]。Ramzi Mdouki等人對高負荷擴壓葉柵進行開縫處理后，進行了二維以及三維數(shù)值模擬。通過模擬計算，定性的得到了開縫位置對葉柵性能的影響，并給出了開縫前后葉片端壁極限流線的變化[4]。

最近，德國學(xué)者Martin Bohle教授對不同前后葉片弦長比以及不同沖角下串列葉柵的損失特性以及流場結(jié)構(gòu)進行了詳細的數(shù)值和實驗研究，通過實驗和數(shù)值的方法，發(fā)現(xiàn)串列葉柵的流動拓撲同普通葉柵存在著顯著的區(qū)別[5]。

由于串列葉柵的實用價值，國內(nèi)的學(xué)者也對其進行了大量的研究。吳國釧通過理論分析，數(shù)值模擬以及實驗測量等方式對串列葉柵流動規(guī)律進行了系統(tǒng)深入的研究。苗厚武等在航空發(fā)動機壓氣機出口靜葉上采用串列葉柵技術(shù)，提高了效率，擴大了壓氣機穩(wěn)定工作范圍[6]。李紹斌等對串列葉柵后排靜葉周向位置對壓氣機性能的影響進行了相關(guān)的研究[7]。陳美寧等對一款末級靜葉為串列葉柵的四級航空發(fā)動機用風(fēng)扇進行了數(shù)值分析[8]。

1 計算模型

表1 引風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 風(fēng)機子午通流圖

本文對一款高爐引風(fēng)機開展設(shè)計優(yōu)化工作。風(fēng)機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該風(fēng)機采用子午加速技術(shù)，含一排反預(yù)旋導(dǎo)葉、一排動葉以及一排后導(dǎo)葉三排葉片。其子午通流結(jié)構(gòu)如圖1所示。動葉采用展向開縫葉片，靜葉為前后兩片等厚度直葉片構(gòu)成的串列葉柵。風(fēng)機三維幾何模型如圖2所示。由于引風(fēng)機的壓頭較高，采用了子午加速風(fēng)機以提高風(fēng)機的出口壓力。另外，為了提高風(fēng)機壓力，增大單級風(fēng)機的壓升能力和級負荷。

圖2 風(fēng)機三維模型

2 計算方法及邊界條件

利用NUMECA軟件對其內(nèi)部流動進行三維數(shù)值分析，采用Spalart-Allmaras（S-A）湍流模型。網(wǎng)格劃分采用2.1.2 IGG/AUTOGRID網(wǎng)格生成程序。數(shù)值模擬中，導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)約為33萬，動葉網(wǎng)格數(shù)約為100萬，靜葉網(wǎng)格數(shù)為65萬，網(wǎng)格總數(shù)約198萬。

計算中重點分析了設(shè)計轉(zhuǎn)速（2 100r/min）和最低工作轉(zhuǎn)速（600r/min）下風(fēng)機內(nèi)部流動特性。設(shè)計點風(fēng)機流量28.7kg/s，風(fēng)機壓比1.08。

3 不同靜葉縫隙對比分析

由于原設(shè)計的風(fēng)機效率不高，不能滿足設(shè)計要求。根據(jù)流場結(jié)構(gòu)的分析，將只針對串列結(jié)構(gòu)的間隙結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。為比較不同間隙對流場結(jié)構(gòu)的影響，分別設(shè)計了兩種開縫形式，如圖3所示（黑色為原型靜葉型線，灰色為改型靜葉型線）。原型縫隙形狀略有擴張，改型1縫隙既不擴張也不收縮，改型2縫隙呈收縮形式。

圖3 不同靜葉開縫示意圖

如圖4，對比了不同方案下吸力面表面附近的軸向速度分布。從圖中可以看到，原設(shè)計方案由于采用擴張的開縫結(jié)構(gòu)，有串列葉柵間隙內(nèi)流過的氣體在擴張作用下，流動速度明顯降低，使得其對后一葉片吸力面表面的影響較弱，受開縫泄漏氣體影響的區(qū)域僅在開縫出口附近。方案1和方案2由于改變了原設(shè)計的擴張縫隙結(jié)構(gòu)，泄漏氣體的流速得到明顯提升。方案2與方案1相比，開縫泄漏氣體的影響區(qū)域更大，氣體影響的區(qū)域擴張到尾部葉片吸力面的1/2位置。

圖5所示為靜葉端極限流線，由圖中可以看到泄漏流動在端壁區(qū)域作用范圍的差異。在原型中，端壁區(qū)域泄漏流動對端壁附面層基本沒有影響，吸力面端壁區(qū)域的邊界層的極限流線在縫隙泄漏流動作用下僅發(fā)生了少量的偏移，整體拓撲結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生本質(zhì)改變。對比方案2可以看到由于縫隙泄漏流動的作用，使得端壁吸力面附近的邊界層完全發(fā)生改變，低能流體被泄漏流動加速，并離開端壁。上一列靜葉的吸力面邊界層沒有延續(xù)到尾部葉片吸力面表面。

由于風(fēng)機為逆壓流動，在吸力面存在較大的逆壓力梯度，附面層厚度增長迅速。在葉片吸力面端壁附近，受到來流附面層的影響，使得附面層厚度進一步增加。當附面層厚度增加到一定程度，將發(fā)生轉(zhuǎn)捩和分離。在風(fēng)機中，流動過早發(fā)生轉(zhuǎn)捩和分離將導(dǎo)致流動損失顯著提高，同時由于分離流動的擾動作用還會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速和喘振的發(fā)生。

因此，由上面的分析可以看到，與采用擴張型縫隙結(jié)構(gòu)相比，方案2采用收縮型的串列葉柵間隙結(jié)構(gòu)，可加速間隙泄漏流動，使泄漏流動起到吹散尾部葉片吸力面邊界層，延緩流動分離，降低流動損失的作用。

圖4 靜葉吸力面軸向速度分布圖

圖5 靜葉端壁極限流線圖

如圖6所示，對比了原型和方案2在不同轉(zhuǎn)速下吸力面極限流線。對比圖6（a）和圖6（b）可以看到與原型相比尾部葉柵吸力面的流動分離得到明顯的抑制。在葉頂區(qū)域，原型在40％相對軸向位置流動就發(fā)生了分離；采用收縮間隙設(shè)計后，葉頂區(qū)域的流動分離區(qū)域基本消失。在葉片根部區(qū)域，與原型較大的分離相比，方案2在葉片根部局域的分離區(qū)域僅出現(xiàn)在尾部出口位置。

圖6 葉柵在不同轉(zhuǎn)速下吸力面極限流線圖

在低轉(zhuǎn)速工況，由于風(fēng)機工作點偏離設(shè)計轉(zhuǎn)速較大，產(chǎn)生了較大的正沖角。從原型低轉(zhuǎn)速的極限流線可以看到較明顯的分離流動。這表明與設(shè)計點相比，在低轉(zhuǎn)速工況風(fēng)機的流動損失更大。采用方案2設(shè)計的開縫結(jié)構(gòu)后，由于縫隙流體對邊界層發(fā)展的影響更強，使得靜葉頂部和根部的分離都得到明顯的改善。這也表明方案2與原設(shè)計相比具有更寬廣的變轉(zhuǎn)速區(qū)域，可適應(yīng)更低的轉(zhuǎn)速。對變頻風(fēng)機而言，當所需風(fēng)量不多時，可通過降低轉(zhuǎn)速，減少電能的消耗。其所能滿足的轉(zhuǎn)速范圍越大，在非設(shè)計轉(zhuǎn)速下效率越高，變頻節(jié)能效果也越強。

為掌握改型后對風(fēng)機總體性能的影響，通過計算方法對風(fēng)機特性線進行了詳細計算。圖7和圖8對比了原型設(shè)計和采用方案2改型后的風(fēng)機特性線。由圖中可以看到在風(fēng)機壓比——流量特性基本不變的前提下，采用方案2設(shè)計的風(fēng)機流動效率得到明顯提高。在設(shè)計轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速工況風(fēng)機效率都有1％以上的提升幅度。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機效率特性線

圖8 設(shè)計轉(zhuǎn)速風(fēng)機壓比——流量特性線

4 結(jié)論

本文重點對比分析了在子午加速風(fēng)機中采用不同形式的串列葉柵開縫結(jié)構(gòu)對風(fēng)機流場結(jié)構(gòu)的影響。并得出以下主要結(jié)論：

串列靜葉可有效提高風(fēng)機的級負荷，前后葉片之間形成的通道形狀對串列靜葉氣動性能具有重要明顯的影響。

前后葉片之間的通道略呈收斂形結(jié)構(gòu)，可在該通道中形成的高速流動，有效的減薄串列靜葉后葉片吸力面的邊界層厚度，抑制后葉片吸力面角區(qū)發(fā)生分離，降低串列靜葉的流動損失。

[1]Wennerstrom A J.Highly Loaded Axial Flow Compressors：History and Current Developments.Journal of Turbomachinery, 1990,112(4)：567-578.

[2]McGlumphy J.Numerical Investigation of Subsonic Axial-Flow Tandem Airfoils for a Core Compressor Rotor[D].Virginia Polytechnic Institute and State University,2008.

[3]Sakai Y,Matsuoka A,Suga S.Design and Test of Transonic Compressor Rotor with Tandem Cascade.Proceedings of the International Gas Turbine Congress.2003：2-7.

[4]Mdouki R,Gahmousse A.Effects of Slotted Blading on Secondary Flow in Highly Loaded Compressor Cascade.Journal of Engineering Science and Technology,2013,8(5)：540-556.

[5]Bohle M,Frey T.Numerical and Experimental Investigations of the 3D-Flow Structure of Tandem Cascades in the Sidewall Region[J].Journal of Fluids Engineering,2014,136(7),071102.

[6]苗厚武,高金滿,郭捷.串列葉片的應(yīng)用研究[J].航空動力學(xué)報,1991,6(3)：203-206.

[7]李紹斌,王松濤,馮國泰,等.串列葉柵后排靜葉周向位置對壓氣機性能影響的數(shù)值研究[J].工程熱物理學(xué)報,2004,25(6)：943-945.

[8]陳美寧,樸英,王大磊.某型航空發(fā)動機風(fēng)扇串列葉柵的數(shù)值模擬.航空動力學(xué)報,2010,25(5)：1117-1122.

■

本文對一款高爐引風(fēng)機開展設(shè)計優(yōu)化工作，引風(fēng)機采用了串列葉柵結(jié)構(gòu)以提高風(fēng)機的級壓比。重點研究了通過改善串列葉柵縫隙的結(jié)構(gòu)尺寸，以降低流動分離提高性能。優(yōu)化設(shè)計后風(fēng)機效率得到明顯改善，在各工作點風(fēng)機效率都提高了1％以上。對比分析表明，串列葉柵前后葉片之間的通道略呈收斂形結(jié)構(gòu)更有利于削弱葉片吸力面邊界層，延緩流動分離，降低流動損失。

串列葉柵；子午加速風(fēng)機；變頻風(fēng)機

Research of Effect on gap size of Blade in Tandem Cascade fans on fan Performance

Dong Xuezhi,Zhang Zhixin,Xu Jian,Tan Chunqing,Gao Qing/Insitute of Engineering Thermophysics,CAS

tandem cascade；meridian acceleration fans；frequency conversion fans

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）06-0044-05

10.16492/j.fjjs.2015.06.0117

*本文其他作者：譚春青高慶/中國科學(xué)院工程熱物理研究所

2015-06-25北京100080

Abstract:The optimal design of a kind of blast furnace fans was discussed.The apptication of tandem cascade can improve the pressure ratio.The effect of the cascade gap size and shape was mainly studied to reduce flow separation and improve the fans performance.After the optimization, the fans efficiency was improved more than 1％in all working point.The comparative analysis shows that convergent type gap in tandem cascade was more conducive to weaken blade suction surface boundary layer,to delay flow separation,and reduce the flow loss.