肖云峰 黃俊強(qiáng) 張志蓮 孫哲/北京石油化工學(xué)院

鄧若飛/北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所

基于AxSTREAM的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)后導(dǎo)葉的匹配設(shè)計(jì)*

肖云峰 黃俊強(qiáng) 張志蓮 孫哲/北京石油化工學(xué)院

鄧若飛/北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所

基于一體化透平機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)xSTREAM完成對(duì)某型商用R級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的后導(dǎo)葉匹配設(shè)計(jì)；并對(duì)比分析了設(shè)計(jì)后R+S級(jí)和設(shè)計(jì)前R級(jí)風(fēng)機(jī)的性能。結(jié)果表明，對(duì)R級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)匹配后導(dǎo)葉，能夠部分地利用葉輪出口旋繞動(dòng)能，提高通風(fēng)機(jī)的壓力，使得通風(fēng)機(jī)效率也相應(yīng)地得到提高。此外，為軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了快捷高效的數(shù)值方法。

軸流通風(fēng)機(jī)；動(dòng)葉可調(diào)；氣動(dòng)設(shè)計(jì)；性能分析

0 引言

動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中可調(diào)動(dòng)葉安裝角，其工況范圍不是一條曲線，而是一個(gè)面。所以流量變化范圍大、高效率運(yùn)行區(qū)寬廣，多用于大容量機(jī)組，特別是大容量變工況機(jī)組采用動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，其節(jié)能效果非常顯著，大大地降低了運(yùn)行成本。軸流風(fēng)機(jī)的型式主要有：?jiǎn)稳~輪級(jí)（R級(jí)）、葉輪+后導(dǎo)流器級(jí)（R+S級(jí)）、前導(dǎo)流器+葉輪級(jí)（P+R級(jí)）、前導(dǎo)流器+葉輪+后導(dǎo)流器級(jí)（P+R+S級(jí)）4種[1]。其中R級(jí)的型式只有單個(gè)葉輪，這種級(jí)的壓力和效率均較低。由于沒有后導(dǎo)流器，風(fēng)機(jī)出口繞流速度的部分動(dòng)能未加以利用，產(chǎn)生了無益的損失。這種級(jí)型式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，但它的全壓相對(duì)較低，這種型式的風(fēng)機(jī)主要用在壓力比較低的低壓軸流風(fēng)機(jī)中[2]。

本文主要基于現(xiàn)有的某型商用R級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行后導(dǎo)葉匹配設(shè)計(jì)，目的在于能夠部分或全部地利用葉輪出口旋繞動(dòng)能，以提高通風(fēng)機(jī)的壓力，使得通風(fēng)機(jī)效率也相應(yīng)地得到些提高。采用商業(yè)葉輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件AxSTREAM，進(jìn)行了動(dòng)葉氣動(dòng)分析及葉型構(gòu)造，得到了動(dòng)葉不同截面的速度三角形、氣流出口角等參數(shù)；根據(jù)分析得到的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行后導(dǎo)葉的氣動(dòng)計(jì)算，完成動(dòng)葉后導(dǎo)葉的匹配設(shè)計(jì)。并對(duì)匹配設(shè)計(jì)后的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行分析研究。

1 后導(dǎo)葉的匹配設(shè)計(jì)與分析

1.1 R級(jí)葉型重構(gòu)及氣動(dòng)分析

根據(jù)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的原型機(jī)，進(jìn)行逆向測(cè)繪建模，得到動(dòng)葉的9個(gè)截面（section1～section9）坐標(biāo)參數(shù)以及輪轂和機(jī)匣的幾何參數(shù)。依據(jù)得到的幾何參數(shù)，在AxSTREAM中構(gòu)建動(dòng)葉葉型如圖1所示。由動(dòng)葉工況參數(shù)（表1）完成動(dòng)葉氣動(dòng)分析，得到動(dòng)葉各截面氣流參數(shù)（表2）和氣動(dòng)性能曲線（圖2）。

圖1 動(dòng)葉葉片模型圖

表1 動(dòng)葉葉片工況參數(shù)及主要機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)表

表2 各截面的氣流參數(shù)表

圖2 動(dòng)葉根部安裝角15°時(shí)性能曲線圖

圖3 安裝角隨葉高的變化圖

綜合流量工況范圍和效率特性，本文選取流動(dòng)葉安裝角為15°時(shí)進(jìn)行后導(dǎo)葉的匹配計(jì)算。由圖2可知，全壓效率在710kg/s左右達(dá)到最大值，而出口壓力在流量為580kg/s時(shí)達(dá)到最大值。根據(jù)實(shí)際工況綜合分析，選取700kg/s的流量作為這次后導(dǎo)葉匹配設(shè)計(jì)點(diǎn)的流量工況。

1.2 后導(dǎo)葉的數(shù)值設(shè)計(jì)和三維成型

在已有的動(dòng)葉結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和計(jì)算得到的動(dòng)葉氣流參數(shù)基礎(chǔ)上；設(shè)定后導(dǎo)葉進(jìn)口輪轂直徑、機(jī)匣直徑以及軸向間隙分別為動(dòng)葉出口輪轂直徑、機(jī)匣直徑及軸向間隙；葉片的數(shù)目Zs的選擇不應(yīng)與動(dòng)葉葉片個(gè)數(shù)之間互成公倍數(shù)，這可減輕動(dòng)葉出口的氣流對(duì)后導(dǎo)葉的沖擊，從而減弱氣流在葉輪中的脈動(dòng)及噪聲[3]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，確定后導(dǎo)葉葉片數(shù)為31個(gè)。在AxSTREAM中完成后導(dǎo)葉的氣動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，并完成DOE優(yōu)化。計(jì)算得到安裝角、進(jìn)口氣流角隨葉高的關(guān)系如圖3和圖4所示。選取風(fēng)機(jī)常用且易加工的圓弧板翼型[4]建立后導(dǎo)葉的三維模型，如圖5a所示。

圖4 進(jìn)口氣流角隨葉高的變化圖

圖5 后導(dǎo)葉葉片和(R+S)級(jí)圖

1.3 R+S級(jí)氣動(dòng)計(jì)算

完成后導(dǎo)葉的匹配設(shè)計(jì)，得到整級(jí)（R+S級(jí)）的風(fēng)機(jī)模型（圖5右）。圖6給出整級(jí)的全壓效率-質(zhì)量流量性能圖和出口壓力-質(zhì)量流量性能圖。對(duì)比圖2可知，最高效率工況點(diǎn)保持在710kg/s，最大出口全壓則出現(xiàn)在650kg/s；整體趨勢(shì)沒有太大變化，保持了原有R級(jí)風(fēng)機(jī)的寬工況特性。

圖6 R+S級(jí)性能曲線圖

2 R+S級(jí)氣動(dòng)數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型

主要研究R+S級(jí)在不同動(dòng)葉安裝角下的整級(jí)性能，忽略葉片根部的漏氣損失、進(jìn)氣箱的影響以及導(dǎo)葉后擴(kuò)壓器的影響。由于計(jì)算量和篇幅的限制，現(xiàn)根據(jù)不同的動(dòng)葉安裝角不同，只選擇了7種不同的葉輪(R+S)級(jí)計(jì)算模型（15°為模型1、10°為模型2、5°為模型3、0°為模型4、20°為模型5、25°為模型6、30°為模型7），每個(gè)安裝角下，又根據(jù)進(jìn)口流量的不同分為多種工況，其中流量為700kg/s的工況點(diǎn)為后導(dǎo)葉設(shè)計(jì)點(diǎn)流量。總共建立7個(gè)模型，完成32個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)的模擬計(jì)算。

2.2 計(jì)算方法和邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用NUMECA商用軟件包FINE/ Turbo，求解三維定常雷諾平均的N-S方程組。應(yīng)用格子中心式有限體積法，空間差分采用二階中心差分格式，時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta法迭代求解，湍流模型采用S-A(Spalart-Allamaras)一方程模型。采用多重及全多重網(wǎng)格方法，結(jié)合變時(shí)間步長(zhǎng)以及殘差光順方法加速收斂。進(jìn)口為總壓邊界條件，出口為流量邊界并賦予初始靜壓；收斂殘差為10-4，求解區(qū)域進(jìn)出口流量差小于0.1％。為排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了無關(guān)性驗(yàn)證。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)工況特性分析

表3給出了R+S級(jí)R設(shè)計(jì)點(diǎn)工況特性參數(shù)值。其中R級(jí)特性參數(shù)為原性能曲線圖中動(dòng)葉根部安裝角為15°時(shí)的性能參數(shù)值，R+S級(jí)性能參數(shù)為后導(dǎo)葉匹配設(shè)計(jì)后由數(shù)值計(jì)算得到。對(duì)比R+S級(jí)和R級(jí)性能參數(shù)可知，R+S級(jí)的全壓比、全壓差、全壓效率在設(shè)計(jì)點(diǎn)安裝角下均較R級(jí)有一定的提升，達(dá)到了對(duì)R級(jí)改造充分利用葉輪出口繞旋動(dòng)能的目的，而且通風(fēng)機(jī)效率也相應(yīng)的得到提高。

2.3.2 非設(shè)計(jì)工況特性曲線分析

圖7和圖8分別給出了7個(gè)模型在不同流量下的效率-流量特性曲線和降壓比-流量特性曲線。由圖可見，模型1～5的最高效率基本一致，而模型6，7的最高效率都偏低，這是由于在小流量情況下，氣流以很小攻角或負(fù)攻角進(jìn)入葉柵通道，在葉片表面產(chǎn)生較大氣流分離。在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的工況效率很高，這與氣動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果相吻合；500～1 000kg/s的流量范圍內(nèi)均有較高的效率，進(jìn)而保證了風(fēng)機(jī)的大容量變工況的優(yōu)勢(shì)。從圖7可以看出在400～600kg/s的流量下風(fēng)機(jī)效率隨流量的增加增速很大，接近成正比關(guān)系；在600～1 000kg/s的流量范圍內(nèi)效率基本保持在較平緩的位置，但當(dāng)大于1 000kg/s時(shí)效率迅速下降，尤其動(dòng)葉在0°安裝角（模型4）情況下。對(duì)比圖7和圖8可知當(dāng)流量小于600kg/s時(shí)，隨著流量的減少壓比也下降，同時(shí)效率也是下降的。流量的減少使得動(dòng)葉進(jìn)口軸向速度降低，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度方向趨向于周向速度，進(jìn)而動(dòng)葉做功能力下降。在流量大與1 000kg/s時(shí)，流量的增加使得軸向速度增加，動(dòng)葉進(jìn)口相對(duì)速度趨向于軸向，使氣體很快流過動(dòng)葉，做功時(shí)間下降較多；同時(shí)流量的增加使得出口量流速增加，使靜壓降低。

表3 設(shè)計(jì)點(diǎn)工況特性對(duì)比表

圖7 效率-流量特性圖

圖8 靜壓壓比-流量特性圖

3 結(jié)論

采用通流概念設(shè)計(jì)和多學(xué)科高效優(yōu)化模塊一體化的透平機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)AxSTREAM，對(duì)某型商用R級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行后導(dǎo)葉的匹配設(shè)計(jì)，對(duì)比設(shè)計(jì)前后的性能參數(shù)。研究表明：

1）對(duì)R級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)增加后導(dǎo)葉，能夠部分或全部地利用葉輪出口旋繞動(dòng)能，提高通風(fēng)機(jī)的壓力，使得通風(fēng)機(jī)效率也相應(yīng)地得到提高。

2）基于透平設(shè)計(jì)平臺(tái)AxSTREAM的軸流風(fēng)機(jī)的葉型設(shè)計(jì)，可以大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間并能使廠家更快的將產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

[1]商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]牛東霞.帶后導(dǎo)葉動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京建筑大學(xué),2013.

[3]張雨珍.軸流式通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)程序的開發(fā)與研究[D].北京:華北電力大學(xué),2009.

[4]Markku J.Lampinen,Voitto W.Kotiaho and M.El Haj Assad, Application of axial fan theory to horizontal-axis wind turbine[J]. International Journal of Energy Research,2006(30):1093-1107.

The Matching Design of Back Vanes for RotorBladeAdjustableAxialFans BasedonAxSTREAM

XiaoYun-feng,HuangJun-qiang,Zhang Zhi-lian,SunZhe/BeijingInstituteof PetrochemicalTechnology.
Deng Ruo-fei/Beijing institute of aerospace testingtechnolgy

The matching design of back vanes for R stage rotor blade adjustable axial fans based on the integration of turbo machinerydesignplatformAxSTREAM was completed.Additionally,a comparison and analysis of fan performance between the new model(R+S stage)and initial model（R stage）was conducted.The results showed that matching back vanes can utilize some of the kinetic energy generated by the impeller outlet to increase fan pressurewhichimproves,fanefficiency accordingly.What'smore,afastand efficient numerical method for aerodynamic design was provided for axial fans.

axialfan；rotorblade adjustable；aerodynamic design；performance analysis

TH432.1;TK05

A

1006-8155（2016）02-0062-04

10.16492/j.fjjs.2016.02.0146

北京市大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃深化項(xiàng)目（160320820031016）項(xiàng)目名稱：動(dòng)葉可調(diào)軸流通風(fēng)機(jī)的靜葉匹配設(shè)計(jì)及氣動(dòng)優(yōu)化

2015-06-26北京102617