崔建光，葉學(xué)民，李春曦

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定 071003)

斜溝槽機(jī)匣處理對(duì)軸流風(fēng)機(jī)性能影響的數(shù)值研究

崔建光，葉學(xué)民，李春曦

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定 071003)

為研究斜溝槽機(jī)匣處理對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響，以O(shè)B-84型動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)為對(duì)象，基于FLUENT數(shù)值軟件，模擬風(fēng)機(jī)在原壁面和六種不同斜溝槽情況下的性能，分析葉頂與吸力面湍動(dòng)能和渦量分布及不同葉高處的靜壓和靜壓差分布。研究表明：斜溝槽開(kāi)槽位置與動(dòng)葉葉頂前緣的距離及溝槽斜度對(duì)風(fēng)機(jī)性能均有明顯影響，斜溝槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)改變了葉頂泄漏流場(chǎng)的分布，緩解了泄漏流的發(fā)展，削弱了泄漏流與主流的摻混；與原壁面相比，經(jīng)斜溝槽機(jī)匣處理的風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下全壓和效率均有一定程度提高。綜合考慮效率與安全性，方案5具有最優(yōu)的氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)流量下效率較原風(fēng)機(jī)提高了0.59%。

軸流風(fēng)機(jī)；斜溝槽；機(jī)匣處理；泄漏流；數(shù)值模擬

1 前言

自20世紀(jì)70年代Koch在附面層抽吸試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)機(jī)匣處理可使壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)以來(lái)，機(jī)匣處理技術(shù)作為比較成功的被動(dòng)控制方法，因其具有有效解決壓氣機(jī)中葉頂區(qū)域流動(dòng)及間隙泄漏流動(dòng)有關(guān)的旋轉(zhuǎn)失速、喘振和拓寬其穩(wěn)定工作范圍，同時(shí)，幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工作特性穩(wěn)定和抗進(jìn)氣畸變能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在壓氣機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

經(jīng)幾十年發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來(lái)探索不同形式機(jī)匣處理的作用效果和擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理，并取得了一系列研究進(jìn)展。不同開(kāi)槽數(shù)目、深度、位置及開(kāi)槽形狀的周向槽對(duì)壓氣機(jī)性能的影響已得到廣泛研究[2～6]。其中，Rolfes等對(duì)大間隙低速軸流壓氣機(jī)的3種機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，得出3種機(jī)匣均能提高壓氣機(jī)工作范圍，且軸向位置對(duì)壓氣機(jī)性能影響較大[7]。在此基礎(chǔ)上，高鵬等提出了凹槽導(dǎo)流片式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，分析了實(shí)壁機(jī)匣結(jié)構(gòu)和凹槽導(dǎo)流片式機(jī)匣結(jié)構(gòu)的離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域流場(chǎng)及葉片通道內(nèi)子午速度沿徑向的特征[8]。陽(yáng)誠(chéng)武等模擬了多圓柱孔式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)對(duì)跨聲速軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子性能的影響，結(jié)果表明多圓柱孔式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)可使壓氣機(jī)的綜合裕度提高6.5%，而最高效率點(diǎn)效率僅降低0.19%[9]。王卓奇等提出一種駐渦式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，模擬顯示該結(jié)構(gòu)可擴(kuò)大跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裕度，而對(duì)效率和壓比不會(huì)產(chǎn)生明顯影響[10]。Fisher設(shè)計(jì)了一種進(jìn)氣回流機(jī)匣處理的擴(kuò)大流量裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該裝置可使離心壓氣機(jī)在各工況下均能有效擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，且失速裕度明顯提高[11]。Yang等模擬了自循環(huán)機(jī)匣處理對(duì)軸流壓氣機(jī)的影響，指出機(jī)匣處理后葉頂泄漏渦得到削弱，葉片下游流通能力增強(qiáng)，失速裕度擴(kuò)大，但設(shè)計(jì)點(diǎn)效率略有下降[12]。

機(jī)匣處理擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的同時(shí)會(huì)引起效率的下降，為改善壓氣機(jī)“擴(kuò)穩(wěn)降效”現(xiàn)象，劉建勇等設(shè)計(jì)了分區(qū)數(shù)不同的非軸對(duì)稱機(jī)匣處理，試驗(yàn)結(jié)果顯示，合理結(jié)構(gòu)的非軸對(duì)稱機(jī)匣處理能使壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度擴(kuò)大13%，同時(shí)，其峰值效率提高0.8%，并指出“擴(kuò)穩(wěn)增效”的原因是它改變了處理槽對(duì)壓氣機(jī)葉尖作用的非定常信號(hào)[13]。張晶輝等研究了波浪形非均勻間隙封嚴(yán)結(jié)構(gòu)下對(duì)渦輪性能的影響，指出波浪形非均勻間隙封嚴(yán)結(jié)構(gòu)使燃?xì)馊肭峙c出流結(jié)構(gòu)破碎為較小的結(jié)構(gòu)，對(duì)渦輪性能的負(fù)面影響減小，渦輪效率提高0.9%[14]。Wisler等在低速壓氣機(jī)上測(cè)試了不同結(jié)構(gòu)的斜溝槽型機(jī)匣處理，試驗(yàn)表明合適的結(jié)構(gòu)形式可提高壓氣機(jī)效率1%～2%，而對(duì)失速裕度沒(méi)有不利影響[15]。朱俊強(qiáng)等針對(duì)亞聲速單級(jí)軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了5種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的斜溝槽機(jī)匣處理試驗(yàn)，表明某幾種結(jié)構(gòu)的斜溝槽機(jī)匣處理可提高壓氣機(jī)效率，但工作裕度略有損失[16]。錢煜平等對(duì)實(shí)壁/圓弧斜槽組合式機(jī)匣處理在跨聲壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的試驗(yàn)表明，組合式處理機(jī)匣能夠在大幅度提高壓氣機(jī)失速裕度的同時(shí)，其絕熱效率提高接近1%[17]。

上述關(guān)于機(jī)匣處理的研究主要集中于離心、軸流壓氣機(jī)和渦輪機(jī)等領(lǐng)域，而風(fēng)機(jī)具有與壓氣機(jī)類似的結(jié)構(gòu)，有關(guān)機(jī)匣處理用于軸流風(fēng)機(jī)的相關(guān)研究還尚未開(kāi)展，同時(shí)，上述研究成果表明斜槽機(jī)匣結(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)性能提升更為明顯[15,16]，為此，本文以O(shè)B-84型動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)為對(duì)象，基于數(shù)值計(jì)算方法研究6種不同斜溝槽機(jī)匣處理方案后的風(fēng)機(jī)性能變化，通過(guò)分析機(jī)匣處理后氣流在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特征、動(dòng)葉不同葉高處的壓力分布、葉頂湍動(dòng)能和熵產(chǎn)率的變化，探討斜溝槽機(jī)匣處理對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)理。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

選用OB-84型動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)為對(duì)象，該風(fēng)機(jī)由集流器、動(dòng)葉、導(dǎo)葉、擴(kuò)散筒組成，如圖1所示?；緟?shù)如下：風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1200 r/min，設(shè)計(jì)流量37.14 m3/s，動(dòng)葉采用翼型結(jié)構(gòu)，動(dòng)葉片數(shù)為14，導(dǎo)葉片數(shù)為15，輪轂比0.6，葉輪直徑D為1500 mm，葉頂間隙δ為4.5 mm，設(shè)計(jì)安裝角32°。

圖1 OB-84型軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2為原壁面與改進(jìn)后的斜溝槽機(jī)匣示意，其中L為開(kāi)槽位置與動(dòng)葉葉頂前緣的距離，θ為溝槽斜度，H為溝槽深度。

(a) 原壁面

(b) 斜溝槽機(jī)匣

按距離L與斜度θ不同，分別定為方案1～6，其中，方案1,3,5中的L均為5 mm，方案2,4,6中的L為3 mm。

表1 不同斜溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用Gambit軟件建立風(fēng)機(jī)模型及生成網(wǎng)格，鑒于動(dòng)葉片翼型結(jié)構(gòu)及動(dòng)葉葉頂區(qū)域復(fù)雜的三維流動(dòng)，選用三角形網(wǎng)格優(yōu)先對(duì)葉頂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并利用尺寸函數(shù)對(duì)葉頂區(qū)域及動(dòng)葉區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證網(wǎng)格質(zhì)量，風(fēng)機(jī)其他區(qū)域網(wǎng)格劃分以動(dòng)葉區(qū)的網(wǎng)格劃分為參考，采用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。為保證計(jì)算精度和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，選取網(wǎng)格數(shù)為216萬(wàn)、245萬(wàn)、286萬(wàn)、337萬(wàn)情形下對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行了模擬和對(duì)比，結(jié)果如圖3所示，綜合模擬精度和網(wǎng)格數(shù)后確定總網(wǎng)格數(shù)為286萬(wàn)。其中，動(dòng)葉區(qū)為198萬(wàn)、集流區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴(kuò)壓區(qū)網(wǎng)格數(shù)分別為30萬(wàn),26萬(wàn)和32萬(wàn)。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)下全壓及效率的變化

2.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

數(shù)學(xué)模型采用三維雷諾守恒型定常N-S方程和Realizable k-ε湍流模型[18]。Realizable k-ε湍流模型可有效解決旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)分離、二次流以及回流等問(wèn)題。計(jì)算采用Segregated隱式方法，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，與空間有關(guān)的對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和湍流粘性系數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。計(jì)算中忽略重力和壁面粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響。

模擬中以集流器進(jìn)口截面和擴(kuò)散筒出口截面作為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口和出口；進(jìn)口和出口邊界條件分別為velocity-inlet和outflow，旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉和靜止機(jī)匣之間的耦合采用多參考坐標(biāo)系模型，各區(qū)域交界面采用interface邊界以實(shí)現(xiàn)流體在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的順利通過(guò)。當(dāng)進(jìn)出口流量差小于10-3，同時(shí)x、y、z方向的速度參數(shù)及k、ε等參數(shù)誤差小于10-4時(shí)，則認(rèn)定當(dāng)前計(jì)算以收斂。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 性能變化

機(jī)匣處理前，首先比較了原風(fēng)機(jī)在33.31～46.63 m3/s流量范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)全壓及效率的模擬值和樣本值。結(jié)果顯示，在上述流量范圍內(nèi)，全壓和效率的平均相對(duì)誤差分別為3.0%和1.5%，表明模擬結(jié)果可反映該風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行性能。

模擬如表1所示的不同斜溝槽機(jī)匣處理方案，設(shè)計(jì)流量下的總體性能參數(shù)如表2所示。由表2可知，相比于原壁面，機(jī)匣處理后的風(fēng)機(jī)全壓和效率均有一定程度提高。其中方案5全壓增幅最大為16 Pa；方案4增幅最小為8 Pa。采用方案6后風(fēng)機(jī)效率增幅最大為0.60%。比較方案1～6可知，在機(jī)匣壁面開(kāi)適當(dāng)斜度和與葉頂前緣適當(dāng)距離的斜溝槽有益于提高風(fēng)機(jī)性能。與方案6相比，方案5開(kāi)槽位置與動(dòng)葉葉頂前緣的距離L相對(duì)較大，可有效避免因旋轉(zhuǎn)脫流、喘振等原因引起振動(dòng)后的動(dòng)靜摩擦，且二者效率相差無(wú)幾，綜合風(fēng)機(jī)效率及安全性方面的考慮，方案5具有最優(yōu)的氣動(dòng)性能。

表2 設(shè)計(jì)流量下不同斜溝槽機(jī)匣處理方案的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)比較

為進(jìn)一步研究斜溝槽機(jī)匣處理對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，圖4對(duì)比了方案5與原壁面結(jié)構(gòu)下的全壓與效率。圖4表明，與原壁面相比，機(jī)匣處理后各工況下風(fēng)機(jī)的全壓均有一度幅度提高，且設(shè)計(jì)流量左側(cè)全壓增幅相對(duì)較大，全壓最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的臨界流量向小流量側(cè)移動(dòng)，即風(fēng)機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)范圍有所擴(kuò)大，喘振裕度增加。效率在各工況下也均有增加，小流量側(cè)效率增幅較為明顯。

(a) 效率曲線

(b) 全壓曲線

綜合分析全壓與效率曲線的變化可知，采用機(jī)匣處理方案5后，在全壓增幅較小的前提下，風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量附近效率得到一定提高。該結(jié)果與文獻(xiàn)[15]趨于一致。鑒于風(fēng)機(jī)選型時(shí)通常參數(shù)裕量過(guò)大，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)多運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量左側(cè)，因此，針對(duì)方案5對(duì)改善軸流風(fēng)機(jī)性能的內(nèi)在機(jī)理展開(kāi)分析[19]。

3.2 葉輪內(nèi)流特征及損失分析

3.2.1 葉片表面的湍動(dòng)能分布

在流體機(jī)械中，為避免動(dòng)靜部件間發(fā)生碰摩，葉頂與機(jī)匣間留有一定間隙。由于葉頂間隙的存在，部分流體在壓力面與吸力面壓差的作用下會(huì)流過(guò)葉頂間隙，產(chǎn)生泄漏流。該泄漏流會(huì)與通道中的主流相互摻混，在吸力面頂部拐角處形成泄漏渦,導(dǎo)致此處的流動(dòng)更為混亂[20]。圖5給出了原壁面與方案5葉頂與吸力面處的湍動(dòng)能分布。由圖5(a)可知，受葉頂泄漏渦的影響，在吸力面頂部拐角處與葉頂中部附近湍動(dòng)能較大，其他區(qū)域相對(duì)較小。采用方案5機(jī)匣結(jié)構(gòu)后葉片前緣點(diǎn)存在突臺(tái)，導(dǎo)致流體流經(jīng)此處產(chǎn)生流動(dòng)分離，葉片頂部前緣附近湍動(dòng)能急劇增大，且具有高湍動(dòng)能的流體會(huì)在軸向速度的推動(dòng)下向前流動(dòng)，與泄漏渦所在位置的流體相互作用，使該區(qū)域流動(dòng)變得更為復(fù)雜，從而引起吸力面頂部拐角處與葉頂中部的湍動(dòng)能進(jìn)一步增加，而升高的突臺(tái)對(duì)葉片中下部的湍動(dòng)能分布影響較小。

(a) 原壁面

(b) 方案5

3.2.2 葉片表面的渦量分布

渦量是描寫(xiě)旋渦運(yùn)動(dòng)最重要的特征量之一，其大小可反映旋渦的強(qiáng)度。原壁面與方案5下的吸力面與葉頂處的渦量分布如圖6所示。

(a) 原壁面

(b) 方案5

圖6(a)表明，渦量由葉片前緣到尾緣逐漸減小，且由于葉頂結(jié)構(gòu)帶來(lái)的流動(dòng)復(fù)雜性，葉頂處的渦量遠(yuǎn)大于吸力面。機(jī)匣處理后，由于突臺(tái)的存在使得葉頂前緣附近與葉頂中部渦量明顯增加，吸力面尾緣葉根處的小渦量區(qū)域縮小，這與湍動(dòng)能的變化基本一致。葉頂處渦量的增加能有效阻礙泄漏流的通過(guò)，同時(shí)，前緣點(diǎn)渦量值的增大對(duì)葉頂吸力面附近的來(lái)流起到一定的阻礙作用，從而泄漏流與通道主流相互作用引起的泄漏損失減輕，風(fēng)機(jī)整體性能得以改善。

3.2.3 動(dòng)葉區(qū)軸向分速度的徑向分布

軸向分速度va的徑向分布可反映來(lái)流在整個(gè)動(dòng)葉區(qū)截面的流通能力，va越大表明來(lái)流的受阻作用越小、通流能力越強(qiáng)。圖7為原壁面與方案5動(dòng)葉區(qū)中間截面處軸向分速度的徑向分布，縱坐標(biāo)R=(r-rh)/H為相對(duì)葉高，其中r為輪轂到葉頂?shù)娜我獍霃剑瑀h和H分別為輪轂半徑和葉高。

由圖7可知，因?yàn)槿~根和葉頂端壁附近的附面層較厚，導(dǎo)致流體流過(guò)該處后軸向速度較小[22]。與原壁面相比，采用方案5后葉根至50%葉高處va基本不變，50%至80%葉高處va明顯增加，表明機(jī)匣處理對(duì)葉片中下部幾乎沒(méi)有影響，葉片中上部受阻程度減輕，原因是機(jī)匣處理后葉頂流動(dòng)變得更為混亂，引起葉頂前緣與葉頂中部渦量強(qiáng)度的增加，從而有效阻礙了泄漏流的發(fā)展，泄漏渦強(qiáng)度減輕、影響范圍縮小，并且，通流面積增加和斜坡帶來(lái)的收縮通道作用，也有利于緩解葉頂阻塞。葉頂附近va減小是葉頂前緣和中部渦量強(qiáng)度的增加所致。

圖7 軸向分速度的徑向分布

3.2.4 動(dòng)葉區(qū)不同葉高處的靜壓分布

圖8為動(dòng)葉區(qū)5%,50%,95%葉高處的靜壓分布。

圖8 不同葉高處的靜壓分布

從圖8(a)、(b)可知，葉片前緣壓力面?zhèn)扔捎跉饬鳑_擊形成高壓區(qū)，而前緣吸力面?zhèn)纫驓饬鞑荒苡行б栏皆谝硇捅砻娑纬闪鲃?dòng)分離，從而產(chǎn)生了低壓區(qū)。由圖8(c)可知，在吸力面30%軸向弦長(zhǎng)處(即吸力面頂部拐角處，如圖中標(biāo)注地方)，由于泄漏渦而形成一個(gè)明顯的低壓區(qū)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，5%葉高截面尾緣處的靜壓低于50%和95%葉高截面尾緣處，且由于壓力面做功，壓力面靜壓大于吸力面。通過(guò)對(duì)比原壁面與方案5在不同葉高處的靜壓分布可知，5%和50%葉高處的靜壓分布基本一致，而在95%葉高處方案5葉片前緣壓力面處?kù)o壓增加，吸力面尾緣靜壓等值線也有所變化。

為進(jìn)一步分析機(jī)匣處理對(duì)葉頂附近靜壓變化的影響，圖9和圖10分別給出了葉片表面95%葉高截面上沿流向的靜壓與靜壓差分布曲線。其中，橫坐標(biāo)x為計(jì)算點(diǎn)到葉片前緣的軸向距離，C為軸向弦長(zhǎng)，縱坐標(biāo)ps為靜壓。

圖9 95%葉高處的靜壓分布

從圖9中可以看出，由于葉片前緣發(fā)生靜壓突變，導(dǎo)致壓力面?zhèn)褥o壓較高，吸力面?zhèn)褥o壓較低[21]。對(duì)比原壁面，方案5葉片前緣壓力面?zhèn)褥o壓增加而吸力面?zhèn)褥o壓減小，與圖8的靜壓分布吻合，這是由于機(jī)匣處理帶來(lái)的突臺(tái)結(jié)構(gòu)，在該區(qū)域形成流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致葉頂附近經(jīng)該處的來(lái)流軸向動(dòng)量較低，實(shí)際葉片的攻角偏離設(shè)計(jì)值，引起葉片前緣壓力面?zhèn)葰饬鳑_擊增強(qiáng)，與此對(duì)應(yīng)的吸力面?zhèn)葰饬魑揭硇捅砻娴哪芰p弱，流動(dòng)分離現(xiàn)象更為嚴(yán)重。同時(shí)，在0.2

圖10為95%葉高處壓力面與吸力面間的靜壓差分布。其中靜壓差為Δps=pps-pss，pps、pss分別為壓力面與吸力面的靜壓。壓力面與吸力面的靜壓差是葉片對(duì)氣流做功的標(biāo)志，靜壓差越大表明氣流繞流翼型產(chǎn)生的升力就越大[21]。由圖10可知，葉片前緣靜壓突變使得Δps增大，在0.20.4后呈逐漸減小的趨勢(shì)；在0.8

圖10 95%葉高處的靜壓差分布

為更直觀地反映機(jī)匣處理對(duì)葉頂泄漏流的影響，表3給出了不同斜溝槽處理下的葉頂泄漏流量。

表3 各機(jī)匣處理方案下葉頂泄漏量的對(duì)比

由表3可知，相比原壁面，機(jī)匣處理后各方案下均一定程度上減少了葉頂泄漏量，且方案5下泄漏量最小為79.63 kg/(s·m2)，但是，葉頂泄漏量與風(fēng)機(jī)效率間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，這是由于機(jī)匣結(jié)構(gòu)改變后，葉頂間隙內(nèi)的流場(chǎng)變化不僅影響泄漏流與主流的摻混程度，而且也會(huì)影響到翼型損失和葉頂區(qū)內(nèi)的二次流損失[23]。

3.2.5 總壓升系數(shù)的徑向變化

總壓升系數(shù)可反映整個(gè)動(dòng)葉區(qū)的做功能力，總壓升系數(shù)定義為：

ψpt=2(p2t-p1t)/ρu2

式中p1t，p2t——轉(zhuǎn)子進(jìn)、出口總壓，Paρ——流體密度，kg/m3u——葉輪輪周速度，m/s

圖11為原壁面和方案5下的動(dòng)葉區(qū)總壓升系數(shù)的徑向分布。

圖11 總壓升系數(shù)的徑向分布

觀察圖11可得，當(dāng)0

3.2.6 葉頂區(qū)域的熵產(chǎn)率分布

風(fēng)機(jī)內(nèi)的熵產(chǎn)由湍流流動(dòng)中的耗散所引起，包括粘性耗散引起的熵產(chǎn)SVD和湍流耗散引起的熵產(chǎn)STD，風(fēng)機(jī)內(nèi)各區(qū)域湍流耗散引起的熵產(chǎn)遠(yuǎn)大于黏性耗散引起的熵產(chǎn)，且兩者相差2個(gè)數(shù)量級(jí)[24～28]。單位面積上的熵產(chǎn)即熵產(chǎn)率，圖12給出了動(dòng)葉區(qū)葉頂表面的熵產(chǎn)率分布。

(a) 原壁面

(b) 方案5

圖12 葉頂處?kù)禺a(chǎn)率分布

從圖12(a)可知，動(dòng)葉入口處的熵產(chǎn)率較小，葉頂因存在泄漏流使葉頂附近熵產(chǎn)率分布較為密集，葉片壓力面與吸力面附近的熵產(chǎn)率遠(yuǎn)大于主流通道，且在泄漏渦的影響下吸力面熵產(chǎn)率大于壓力面，靠近葉頂尾緣處?kù)禺a(chǎn)率梯度較大。同時(shí)，通道內(nèi)高熵產(chǎn)率區(qū)沿著與動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)相反的方向向相鄰葉片的壓力面逐漸延伸，直至動(dòng)葉出口處?kù)禺a(chǎn)率又呈現(xiàn)均勻分布特征。對(duì)比圖12(a)和(b)發(fā)現(xiàn)，機(jī)匣處理后葉頂附近區(qū)域熵產(chǎn)率變化明顯，特別是前緣點(diǎn)處?kù)禺a(chǎn)率由400 W/(m3·K)增長(zhǎng)到5000 W/(m3·K)，這是由于來(lái)流對(duì)前緣沖擊更強(qiáng)所致，吸力面中前部熵產(chǎn)率也增加明顯，壓力面熵產(chǎn)率變化較小，與圖8(c)的靜壓變化一致。尾緣處?kù)禺a(chǎn)率影響范圍擴(kuò)大，而且，由于葉頂前緣處壓差的進(jìn)一步增大，在壓差的推動(dòng)下部分流體會(huì)沿著作用力方向流向主流通道，減弱了葉頂附近流體的軸向流動(dòng)，這也是葉頂附近軸向速度減小的原因之一。證實(shí)了機(jī)匣處理對(duì)泄漏損失的影響。

4 結(jié)論

(1) 斜溝槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)可有效改善風(fēng)機(jī)性能，開(kāi)槽位置與動(dòng)葉葉頂前緣的距離和溝槽斜度對(duì)風(fēng)機(jī)性能均有明顯影響，與原壁面相比，斜溝槽機(jī)匣處理后的風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下全壓和效率均有一定程度提高。綜合風(fēng)機(jī)效率及安全性方面的考慮，方案5具有最優(yōu)的氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)流量下效率較原風(fēng)機(jī)提高0.59%。

(2) 斜溝槽機(jī)匣處理后，葉頂附近靜壓差減小，泄漏流的驅(qū)動(dòng)力降低，同時(shí)，葉頂處的渦強(qiáng)度和湍動(dòng)能增大，阻礙了泄漏流的發(fā)展，泄漏流與主流的摻混程度減輕且影響范圍縮小，泄漏損失減小，風(fēng)機(jī)效率得到提高；葉頂流場(chǎng)的變化整體上增加了葉輪的總壓升系數(shù)，葉輪做功能力增強(qiáng)，進(jìn)而使得風(fēng)機(jī)全壓高于原風(fēng)機(jī)。

(3) 綜合斜溝槽機(jī)匣處理前后全壓與效率的變化可知，機(jī)匣處理后風(fēng)機(jī)在全壓增幅較小的前提下效率得到一定提高。鑒于風(fēng)機(jī)選型時(shí)通常參數(shù)裕量過(guò)大，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)多運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量左側(cè)，因此，斜溝槽機(jī)匣處理對(duì)改善風(fēng)機(jī)性能提高電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要的參考價(jià)值。

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Simulation of the Effect of Sloped Trench Casing Treatment on the Performance of an Axial Flow Fan

CUI Jian-guang，YE Xue-min，LI Chun-xi

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to investigate the effect of sloped trench casing treatment on aerodynamic performance of axial fans，the performance of a variable pitch axial flow fan of OB-84 type with original wall and six different geometrical sloped trenches are simulated by numerical software FLUENT．The distribution of turbulent kinetic energy and vorticity of blade tip and suction surface are discussed，as well as the distribution of static pressure and static pressure differential on pressure and suction surface at different blade heights．Results reveal that the slot position of sloped trench and the distance of blade tip leading edge and groove angle exert obvious influence on fan performance，and the structure with sloped trench casing treatment changes the distribution of leakage flow，which relieves the development of leakage flow and thus impairs the mixing of the leakage and passage flow；Compared with the original wall，the total pressure and efficiency of the fan are increased to some extent at design condition after sloped trench casing treatment．Considering the efficiency and security，case 5 possess the optimal aerodynamic performance with an increasing efficiency by 0.59 percent than original fan at rated flow rate．

axial flow fan；sloped trench；casing treatment；leakage flow；numerical simulation

1005-0329(2017)01-0030-08

2016-06-07

2016-07-18

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(13MS98)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2012502016)

TH43

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.006

崔建光(1991-)，男，碩士研究生，主要從事流體機(jī)械等方面研究,通訊地址：071003 河北保定市永華北大街619號(hào)華北電力大學(xué)29信箱，E-mail：ncepucjg@outlook.com。